ÄLYKÄS KAUPUNKIENERGIA ENERGIATEOLLISUUS RY. ÄLYKÄS KAUPUNKIENERGIA Raportti Energiateollisuus ry:lle Kesäkuu 2018
YHTEYSTIEDOT Yritys: Pöyry Management Consulting Oy PL4 (Jaakonkatu 3) 01621 Vantaa Vastuuvapauslauseke Raportti on laadittu Energiateollisuus ry:n ( Asiakas ) käyttöön ja julkaistavaksi. Raportti on laadittu noudattaen Pöyryn ja Asiakkaan välisen sopimuksen ehtoja. Pöyryn tähän raporttiin liittyvä tai siihen perustuva vastuu määräytyy yksinomaan kyseisten sopimusehtojen mukaisesti. Raportin sisältämät tulkinnat ja johtopäätökset perustuvat osittain Pöyryn kolmansilta osapuolilta tai ulkopuolisista lähteistä saamiin tietoihin. Pöyry ei ole tarkistanut minkään kolmansilta osapuolilta tai ulkopuolisista lähteistä saadun ja raportin laatimiseen käytetyn tiedon oikeellisuutta tai täydellisyyttä, koska se ei ole kuulunut Pöyryn toimeksiannon laajuuteen. Pöyry ei anna raportin perusteella tai siihen liittyen mitään vakuutusta (nimenomaista tai konkludenttista) eikä vastaa sen sisältämien tietojen ja arvioiden oikeellisuudesta. Pöyry ei vastaa kolmannelle osapuolelle tämän raportin käyttämisen tai siihen luottamisen perusteella aiheutuneesta haitasta taikka mistään välittömästä tai välillisestä vahingosta. Copyright 2018 Pöyry Management Consulting
SISÄLLYSLUETTELO ESIPUHE... 5 1 TIIVISTELMÄ... 6 2 TAUSTA... 8 2.1 Älykäs kaupunkienergia -hanke... 8 2.2 Sähköjärjestelmien joustavuus ja energian varastoinnin tarve... 8 3 KAUPUNKIEN LÄMMITYSENERGIAJÄRJESTELMÄT... 10 3.1 Lämmitysenergian käyttö ja kaukolämpö Suomessa... 10 3.2 Kaukojäähdytys... 11 3.3 Kaukolämpöverkon toiminta... 12 3.3.1 Kaukolämmön hankinta... 12 3.3.2 CHP:n rooli energiajärjestelmässä Suomessa... 14 3.3.3 Lämpöpumput kaukolämpöjärjestelmissä... 16 3.3.4 Kaukolämpövarastot... 17 3.3.5 Kaukolämmön käytön mittaus... 18 3.3.6 Kysynnän ohjaus... 19 3.3.7 Toimijat kaukolämpösektorilla... 22 3.4 Digitalisaatio ja energia-alan tietojärjestelmät... 23 4 TEKNOLOGISIA KEHITYSTRENDEJÄ... 26 4.1 Tuotanto- ja varastointiteknologiat... 26 4.1.1 Sähkön tuotanto... 26 4.1.2 Kiinteistökohtainen lämmöntuotanto ja hybridiasiakkaat... 26 4.1.3 Energian varastointi... 27 4.2 Digitalisaation eteneminen... 28 4.2.1 Kaukolämmön kysynnän ohjaaminen... 31 4.2.2 Tuotannon ohjaaminen... 32 4.2.3 Lämmönjakokeskuksen jäähtymän analysointi ja kunnossapidon valvonta... 32 4.2.4 Palvelujen asiakaskohtainen räätälöinti... 32 5 ÄLYKÄS KAUPUNKIENERGIAJÄRJESTELMÄ... 33 5.1 Kohti uudenlaista energiajärjestelmää... 33 5.2 Vuorovaikutus sähköjärjestelmän kanssa... 35 5.2.1 Sähkön hyödyntäminen kaukolämmön tuotannossa... 37 5.2.2 Case-esimerkki 1 sähkökattila suuressa kaukolämpöverkossa... 39 5.2.3 Case-esimerkki 2 kiinteistökohtaiset lämpöpumput osana kaukolämpöyhtiön tuotantoportfoliota... 43 5.2.4 Kaukolämpö-CHP:n osallistuminen säätösähkö- ja taajuusreservimarkkinoille... 46 5.3 Monipuolinen palveluntarjonta... 47 5.3.1 Asiakaskeskeisten palveluiden tarve... 49 5.3.2 Esimerkkejä mahdollisista uusista palveluista... 50 3 (60)
5.4 Markkinaehtoisuus ja hintasignaalit... 51 5.4.1 Hintasignaalit sähkö- ja lämpömarkkinoiden välillä... 51 5.4.2 Kaukolämpöverkon ominaispiirteitä hintasignaalin kannalta... 52 5.4.3 Hintasignaalien soveltaminen asiakkaan oman tuotannon ja kulutuksen ohjaukseen... 53 5.5 Digitaalinen palvelualusta lämmölle... 54 5.5.1 Kaukolämpöyhtiöiden yhteisen digitaalisen palvelualustan tarve ja sisältö... 55 6 JOHTOPÄÄTÖKSET... 57 LÄHTEET... 59 LIITTEET... 60 4 (60)
ESIPUHE Vaihtelevan tuotannon, kuten sääriippuvaisten aurinkoenergian ja tuulivoiman, määrä lisääntyy. Näihin liittyy voimakasta ajallista vaihtelevuutta ja ennustettavuuden epävarmuutta. Tämä aiheuttaa joustavuuden tarpeen kasvua sähköjärjestelmässä. Energiajärjestelmien vuorovaikutus antaa eri osapuolille mahdollisuuksia osallistua markkinaehtoisesti sähköjärjestelmän tasapainoon. Kaukolämpö- ja jäähdytysverkot ovat keskeinen osa energiatehokkaassa järjestelmässä, kun rakennuksissa enenevässä määrin tuotetaan ja kierrätetään energioita. Energian tarjonta ja tarve eivät rakennuskohtaisesti aina kohtaa toisiaan verkot toimivat silloin alustana energioiden siirtämiseksi tarpeen mukaisesti. Älykäs kaupunkienergia -hankkeen tavoitteena on kuvata, miten ilmastoneutraali energiajärjestelmä voidaan toteuttaa kustannustehokkaasti osallistamalla asiakkaita, samalla säilyttäen energian hyvä toimitusvarmuus ja kohtuullinen hinta. Sen tavoitteena on luoda visio kaupunkien älykkäästä energiajärjestelmästä tarkastellen erityisesti kaukolämmön tarjoamia mahdollisuuksia sekä kaukolämpö- ja sähköjärjestelmien välisen vuorovaikutuksen hyötyjä. Tämä selvitys on rahoitettu Energiateollisuus ry:n kaukolämpötutkimuksen, Sähkötutkimuspoolin ja Ympäristöpoolin yhteisrahoituksella. Selvityksen toteutuksesta on vastannut Pöyry Management Consulting Oy yhteistyössä Enoron kanssa. Pöyryllä selvityksen ydintiimiin kuuluivat Juha Känkänen, Jenni Patronen, Nikita Semkin ja Antti Raininko, ja Enorolla Leena Sivill, Juha-Pekka Einamo ja Jari Väänänen. Selvityksen tekoa on ohjannut ohjausryhmä, johon ovat kuuluneet seuraavat henkilöt: Mirja Tiitinen, Energiateollisuus ry Marko Ahl, Vantaan Energia Oy Clas Blomberg, Vapo Oy Pirjo Heine, Helen Sähköverkko Oy, ST-poolin edustaja Tero Holappa, Elenia Oy Susanna Huuskonen, Fortum Oyj Jouni Kivirinne, Helen Oy Sirpa Leino, Energiateollisuus ry Risto Lindroos, Fingrid Oyj, ST-poolin edustaja Risto Ryymin, Jyväskylän Energia Oy, ympäristöpoolin edustaja 5 (60)
1 TIIVISTELMÄ Tulevaisuuden energiajärjestelmissä eri energiamuodot, tuotantotavat, hajautettu tuotanto ja kysyntäjousto yhdistyvät entistä optimaalisemmin tehden mahdolliseksi siirtymän päästöttömään energiajärjestelmään joustavasti ja kustannustehokkaasti. Erityisesti kaupunkien energiajärjestelmillä on suuri merkitys älykkäämpien energiajärjestelmien luomisessa, sillä kaupunkien energiaverkot mahdollistavat energian siirron ja osin varastoinnin kulutuksen ja tuotannon tarpeiden mukaan. Tässä selvityksessä on tarkasteltu kaupunkien energiajärjestelmiä erityisesti lämmityksen ja jäähdytyksen näkökulmasta ja analysoitu, miten niitä hyödyntämällä ja älykkäämmin ohjaamalla voidaan paremmin vastata koko energiajärjestelmän tulevaisuuden haasteisiin. Selvityksen tavoitteena oli myös tarjota lämpöverkkojen näkökulma työ- ja elinkeinoministeriön nimittämän älyverkkotyöryhmän työtä täydentämään. Selvityksessä luotiin visio älykkäästä energiajärjestelmästä tarkastellen erityisesti kaukolämmön ja -jäähdytyksen tarjoamia mahdollisuuksia sekä energiajärjestelmien välisen integraation lisäämisen hyötyjä. Tarkastelujakso analyysissä ja visiossa ulottuu vuoteen 2030 saakka. Visioksi muodostui: Älykäs kaupunkienergiajärjestelmä tuo edullisempaa joustoa siirryttäessä hiilineutraaliin energiajärjestelmään ja antaa samalla asiakkaalle mahdollisuuden valita haluamansa energiapalvelut vaivattomasti. Pohjoismaisen energiajärjestelmän tulevaisuuden haasteisiin voidaan lukea lisääntyvä vaihtelevan ja joustamattoman tuulivoimatuotannon määrä: sen arvioidaan noin tuplaantuvan 2020-luvulla. Alhaisista sähkön markkinahinnoista johtuen joustoon kykenevä lauhdetuotanto on jo koko lailla poistunut Suomesta. Tämän lisäksi useat korvausinvestoinnit käyttöikänsä päähän tulleille CHPlaitoksille ovat viime vuosina perustuneet lämpökattiloihin uusien CHP-laitosten sijaan, mikä on osaltaan vaikeuttanut tilannetta sekä joustoon kykenevän että huippukulutuksen aikaisen sähköntuotantokapasiteetin suhteen. Kaukolämpöjärjestelmät tuovat jouston lähteitä energiajärjestelmään. Kun sähkö on kallista, tuotetaan kaukolämpöä erityisesti CHP-laitoksissa, halvan sähkön aikaan lämpöä taas tuotetaan esimerkiksi lämpökattiloilla ilman sähköntuotantoa tai lämpöpumpuilla edullista sähköä hyödyntäen. Tätä olemassa olevaa joustoelementtiä tehostaa CHP-laitosten yhteydessä usein sijaitsevat kaukolämpöakut. CHP-tuotanto tuo myös sähkömarkkinalle lisätehoa juuri huippukysynnän aikaan, mistä syystä sillä on suuri merkitys sähkötehon riittävyyden kannalta. Tunninsisäisen tehotasapainon hallintaan CHP-laitokset voivat osallistua säätösähkömarkkinan kautta. Selvityksessä tutkittiin myös sähkö- ja kaukolämpöjärjestelmien välisen integraation lisäämistä sähkökattiloiden avulla. Nykyisellään lämmön tuotanto sähkökattilalla ei energiayhtiöiden verokohtelusta johtuen ole kannattavaa. Tehdyn simuloinnin perusteella, jos veroa lasketaan tai se poistetaan kokonaan, olisi lämmön tekeminen sähköllä kannattavaa kaukolämpöverkoissa, joissa tuotanto perustuu melko suurelta osin fossiilisiin polttoaineisiin. Biopolttoaineita hyödyntävässä kaukolämpöverkossa sähkökattilainvestointi ei olisi kannattava. Jotta lämmön tekeminen sähköllä laajassa mittakaavassa olisi mielekästä, tulisi sähkön hinnan olla melko pitkiä aikoja lähellä nollaa ja sähkönkulutusta lisäämällä voitaisiin välttyä uusiutuvan tuotannon (lähinnä tuuli- ja vesivoima) rajoittamiselta. Vaikka todennäköisyys sille, että Pohjoismaissa on 2020-luvulla runsaasti tunteja, jolloin sähkön hinta on lähellä nollaa, on pieni, mahdollistaa kaukolämpöverkko kuitenkin sähkökattiloiden nopean käyttöönoton ja joustavan käytön siinä tapauksessa, että sähkön hinnat painuvat alas. Energiajärjestelmien vuorovaikutteisuuden lisäksi älykkään kaupunkienergian visiossa nostettiin asiakkaan rooli ja monipuolinen palveluntarjonta keskiöön. Myös lämpöratkaisujen osalta asiakkaat odottavat voivansa valita omien arvojensa perusteella itselleen sopivat energiaratkaisut ja palvelut yksilöllisesti mutta helposti. Älykkäät ohjauslaitteet ja palvelualustat tekevät myös mahdolliseksi sen, että esimerkiksi asiakkaan omaa energiantuotantoa ja lämmön kysyntäjoustoa voidaan hyödyntää paremmin koko energiajärjestelmää hyödyttävällä tavalla. Kaukolämpöjärjestelmän kannalta tällä voidaan saavuttaa muun muassa olemassa olevan tuotantokapasiteetin tehokkaampaa käyttöä ja vähentää kalliin huippukapasiteetin käyttöä, mikä johtaa myös alhaisempiin päästöihin. Analyysin perusteella suurin potentiaali asiakkaan oman tuotannon hyödyntämiselle on paljon maakaasua polttoaineena käyttävissä kaukolämpöverkoissa, missä on tarve investoida uuteen kapasiteettiin joka tapauksessa. Kaukolämpöyhtiö voi itse ohjata tällaista eri tahojen omistamaa 6 (60)
tuotantokoneistoa ja mahdollisesti myös asiakkaan kulutusta, jolloin ei tarvita esimerkiksi lämmön tuntitason hintasignaalia asiakkaalle saakka. Jos taas ohjauksen hoitaa palveluntoimittaja, voidaan lämmölle tarvita nykyistä tarkempi hintasignaali. Selvityksen yksi keskeinen johtopäätös on, että kaukolämpöyhtiöiden tulisi entistä aktiivisemmin tarjota asiakkaille kokonaisvaltaisia olosuhdepalveluita ja monipuolisia vaihtoehtoja energiantuotannossa. Kaukolämpöyhtiöillä voisi tulevaisuudessa olla suurempi rooli myös asiakkaan oman tuotannon ja kulutuksen ohjauksessa, mikä voi edellyttää kasvavassa määrin erilaisia kumppanuuksia palveluiden toteuttamiseksi kustannustehokkaasti. Roolien määrittely edellyttää tiivistä vuorovaikutusta sekä asiakkaiden että kumppanien kanssa parhaiden toimintamallien löytämiseksi. Asiakkaiden aktiivisempaan osallistamiseen ja kumppanuuksien kehittämiseen osaksi älykästä kaupunkienergiajärjestelmää liittyy laajamittaisesti toteutettuna paljon energian tuotantoon ja kulutukseen liittyvää tiedon keruuta ja siirtoa eri osapuolten välillä sekä myös tiedon säilytystä. Jotta uusia palveluita voidaan ottaa kustannustehokkaasti käyttöön kaikissa kaupungeissa, voikin jonkin asteinen tietojen ja tiedonvaihtotapojen harmonisointi olla tarpeen. Tähän tarpeeseen voidaan kehittää lämmölle palvelualusta/-alustoja. Palvelualustoja voidaan kehittää markkinaosapuolten ja palveluntarjoajien toimesta esimerkiksi osakokonaisuuksina, jolloin kokonaisuus voi rakentua markkinaehtoisesti pienin askelin ja ketterin menetelmin. 7 (60)
2 TAUSTA 2.1 Älykäs kaupunkienergia -hanke Uusiutuvaan ja päästöttömään energiajärjestelmään siirtyminen edellyttää energian toimitusvarmuuskysymysten ratkaisua mm. energian varastoinnin ja kysyntäjouston kautta. Samaan aikaan teknologinen kehitys tekee mahdolliseksi lisätä eri energiamuotojen, kulutuksen sekä hajautetun ja keskitetyn tuotannon integraatiota. Älykkäiden energiaratkaisujen avulla voidaan päästöttömään energiajärjestelmään siirtyä joustavasti ja kustannustehokkaasti. Älykkäiden energiajärjestelmien sähkön, lämmityksen, jäähdytyksen ja kaasujen yhteistoiminnan kautta voidaan hyödyntää myös hajautettua tuotantoa ja pieniä kysyntäjoustokohteita tehokkaasti koko energiajärjestelmän kannalta parhaalla mahdollisella tavalla. Työ- ja elinkeinoministeriö asetti syyskuussa 2016 älyverkkotyöryhmän tehtävänään luoda yhteinen näkemys tulevaisuuden älyverkoista sekä selvittää ja esittää konkreettisia toimia, joilla älyverkot voivat palvella asiakkaiden mahdollisuuksia osallistua aktiivisesti sähkömarkkinoille ja edistää toimitusvarmuuden ylläpitoa. Älyverkkotyöryhmä keskittyy työssään ennen kaikkea sähköverkkoihin, vaikka ns. multienergiajärjestelmät on myös nostettu työryhmässä keskusteluun. Lämpö- ja jäähdytys- sekä kaasuverkot ovat olennainen tekijä energiatehokkaassa ja uusiutuviin perustuvassa energiajärjestelmässä, sillä ne mahdollistavat energian siirron ja osin varastoinnin kulutuksen ja tuotannon tarpeiden mukaan. Kaupunkien energiaverkoilla on keskeinen ja kaupungistumisen myötä edelleen kasvava rooli Suomessa. Koska sähköä ei laajalle ulottuvien siirtoyhteyksien vuoksi tarvitse tuottaa siellä missä sitä kulutetaan, ei kaupunkien rooli sähköntuotantomielessä välttämättä merkittävästi muutu. Lämmön- ja jäähdytyksen tuotanto sen sijaan ovat sidoksissa paikalliseen kulutukseen. Tässä selvityksessä on tarkasteltu kaupunkien energiajärjestelmiä lähinnä lämmityksen ja jäähdytyksen näkökulmasta ja analysoitu, miten niitä hyödyntämällä ja älykkäämmin ohjaamalla voidaan paremmin vastata koko energiajärjestelmän tulevaisuuden haasteisiin. Keskeinen kysymys on, miten ilmastoneutraali energiajärjestelmä voidaan toteuttaa kustannustehokkaasti ja samalla säilyttää energian hyvä toimitusvarmuus. Selvityksessä on luotu visio älykkäästä energiajärjestelmästä tarkastellen erityisesti kaukolämmön ja -jäähdytyksen tarjoamia mahdollisuuksia sekä energiajärjestelmien välisen integraation lisäämisen hyötyjä. Tarkastelujakso visiossa ulottuu vuoteen 2030 saakka. Visio muodostettiin konsultin fasilitoimana projektin ohjausryhmässä perustuen toimintaympäristöanalyysiin ja näkemyksiin siitä, mitkä ovat tulevaisuuden energiajärjestelmän keskeisiä haasteita ja miten niihin voidaan parhaiten vastata. Visioon ja siihen liittyvien erityiskysymysten tarkentamiseksi järjestettiin myös kaksi työpajaa, joihin kumpaankin osallistui noin 25 henkilöä, jotka edustivat kaukolämpöyhtiöitä, energiapalveluntarjoajia, tutkijoita, teknologiatoimittajia, kiinteistöjen omistajia, etujärjestöjä sekä konsultteja. 2.2 Sähköjärjestelmien joustavuus ja energian varastoinnin tarve Sähköjärjestelmässä kulutuksen ja tuotannon on oltava joka hetki tasapainossa. Tasapainoa on pidetty yllä ennen kaikkea säätämällä tuotantoa vastaamaan kulutuksen tarpeisiin. Säätämiseen sopivaa tuotantokapasiteettia on erityisesti vesivoimassa ja lauhdetuotannossa. Sähkön tuotanto on sekä Suomessa että naapurimaissa siirtynyt viime vuosina voimakkaasti kohti uusiutuvaa vaihtelevaa tuotantoa. Suomessa lisäksi ydinvoiman kasvava osuus vähentää joustavan kapasiteetin osuutta tuotantokapasiteetista. Toisaalta Ruotsin kahden reaktorin ennenaikainen alasajo pitää ydinvoiman määrän pohjoismaisessa sähköjärjestelmässä 2020-luvulla lähes muuttumattomana. Suomessa noin 15 % sähköntarpeesta on tuotettu kaukolämmön yhteistuotantolaitoksissa. Tämä osuus on tosin ollut viime aikoina hieman laskeva, ja CHP:n tulevaisuus on nähty jossain määrin epävarmana. Joustojen tarve kasvaa koko maan sähköjärjestelmässä ja kantaverkkotasolla. Tämän lisäksi myös jakeluverkkojen alueella ollaan uudenlaisessa tilanteessa, kun hajautettua tuotantoa liitetään jakeluverkkoihin, ja toisaalta jakeluverkkojen toimitusvarmuusvaatimukset ovat tiukentuneet johtaen merkittäviin investointeihin liittyen erityisesti maakaapelointiin. 8 (60)
Yksi keino lisätä joustoa energiajärjestelmässä on kysyntäjousto, joka tarkoittaa energian käytön siirtämistä kalleimmilta tunneilta halvemmille. Kokonaiskysyntä ei siten muutu, mutta huipunaikainen kysyntä laskee. Kysyntäjoustoa voi tapahtua myös siten, että kysyntää ei siirry toiseen ajankohtaan vaan kysyntä kokonaisuudessaan vähenee korkeiden hintapiikkien vaikutuksesta. Tällaista joustoa voi tapahtua erityisesti teollisuudessa, jolloin se johtaa teollisuuden kokonaistuotantomäärien vähenemiseen. Pääosa sähkön kysyntäjoustosta tulee tällä hetkellä energiaintensiivisestä teollisuudesta. Kiinteistöjen ja keskisuurten yritysten sekä kotitalouksien osalta osallistuminen on ollut vähäistä. Energiaintensiivisen teollisuuden kohteet sijaitsevat pääsääntöisesti kantaverkossa, kun taas kahden jälkimmäisen sektorin käyttöpaikat on liitetty jakeluverkkoon. On odotettavissa, että mittausten ja ohjausjärjestelmien kehitys tulee madaltamaan kynnystä hajautetun kysyntäjoustopotentiaalin aktivoimiseen. Jatkossa kysyntäjoustoa voi tulla markkinoille yhä enemmän pienistä hajautetuista kohteista, kuten sähkölämmityksestä (sähkölämmityksen kysyntäjoustoa tosin näkyy jo nyt markkinoilla kaksiaikahinnoittelun vuoksi) ja muista kotitalouksin sähkönkäytöstä, palvelusektorilta sekä sähköautoista. Näiden kohteiden jousto on tyypillisesti vuorokauden sisäistä kulutuksen siirtoa. Sähkön kysyntäjouston toteutumista uusilla sektoreilla edistävät markkinoille tulleet uudet palvelut. Uudenlaisia palveluja on viime aikoina kehittynyt myös kaukolämmön kysyntäjouston ympärille. Pohjoismaisilla sähkömarkkinoilla jouston tarvetta ja toisaalta joustosta saatavaa arvoa rajoittaa suuri säätöön kykenevän vesivoimakapasiteetin osuus. Tästä johtuen laajamittaiset investoinnit sähkön pidemmän ajan varastointiin esimerkiksi sähköakkujen tai pumppuvoimaloiden muodossa tuskin ovat kannattavia. Päivänsisäisten hintavaihtelujen lisäksi vaihtelevan tuotannon lisääminen sähköjärjestelmään Pohjoismaissa vaikuttaa tunninsisäisen tehotasapainon ylläpitoon ja mahdollisesti kasvattaa säätösähkö- ja reservimarkkinoiden kokoa. Älykkään kaupunkienergiajärjestelmän lämmöntuotannolla voikin olla kasvava rooli myös näillä markkinoilla. 9 (60)
3 KAUPUNKIEN LÄMMITYSENERGIAJÄRJESTELMÄT Tässä osassa raporttia kuvataan Suomen lämmitysenergiajärjestelmää ja digitalisaation nykytilaa energia-alan tietojärjestelmissä. Koska kaukolämmön osuus kaupunkien lämmityksessä on hyvin suuri, keskitytään lämmitysenergiaan liittyvissä tarkasteluissa kaukolämpöön. 3.1 Lämmitysenergian käyttö ja kaukolämpö Suomessa Ilmastollisista syistä johtuen Suomen rakennuskannan lämmitystarve on suuri, ja yleisin lämmitysmuoto Suomen rakennuskannassa on kaukolämpö. Kaukolämmöllä tarkoitetaan jakeluverkon avulla tapahtuvaa sekä keskitettyjen että hajautettujen lämmöntuotantolaitosten ja lämmönlähteiden yhteen liittämistä siten, että verkkoon liitettyjen asiakkaiden lämmöntarve katetaan energia- ja resurssitehokkaasti liiketoiminnallisin perustein. Kaukolämmön rakentaminen aloitettiin Suomessa viime vuosisadan puolivälissä, ja kaukolämpöjärjestelmiin on panostettu jo useiden vuosikymmenten ajan, toisin kuin monissa muissa Euroopan maissa. Suomessa käytettiin lämmitysenergiaa lämpötilakorjattuna noin 96 terawattituntia (TWh) vuonna 2016. Merkittävimmät lämmitysmuodot ovat kaukolämpö 36 TWh, sähkö 20 TWh, puupolttoaineet 19 TWh sekä öljylämmitys 12 TWh. Alla on esitetty lämpötilakorjattu lämmitysenergian käyttö Suomessa vuosina 2002 2016 (Kuva 3-1). Merkittävimmät muutokset lämmöntuotannossa ovat tapahtuneet öljy- ja sähkölämmityksessä sekä lämpöpumpuilla tuotetussa lämmössä. Öljyn käyttö lämmityksessä on vähentynyt vuoden 2002 18 TWh:sta vuoden 2016 12 TWh:n tasolle. Samaan aikaan sähkölämmitys on kasvanut 12 TWh:sta noin 20 TWh:iin, ja lämpöpumpuilla tuotetun lämmön määrä on yli kymmenkertaistunut 0.5 TWh:sta 6 TWh:iin. Kaukolämmön käyttö on pysynyt tarkastelujakson aikana 30-36 TWh:n tasolla. Kuva 3-1 Lämmitysenergian käyttö Suomessa polttoaineittain 2002 2016 (lämpötilakorjattu) 120 TWh 100 80 60 40 20 0 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 Kaukolämpö Sähkö Puupolttoaineet Öljy Turve Hiili Maakaasu Lämpöpumput* *Lämmitys- ja jäähdytyskäytössä olevien lämpöpumppujen kuluttama sähkö on sisällytetty lämmityksen sähkönkulutukseen. Huom! Kuvaajassa on esitetty lämmitykseen käytetty kokonaisenergiamäärä. Kaukolämpöön ja sähköön eivät sisälly niiden tuotanto- ja siirtohäviöt. Lähde: (Tilastokeskus, 2017a), (Tilastokeskus, 2017b) (Lämpötilakorjaus: Pöyry) Merkittävin osa lämmitysenergiasta käytetään asuintalojen lämmitykseen. Julkiset ja kaupalliset rakennukset, kuten ostoskeskukset, muodostavat toiseksi merkittävimmän kulutusryhmän ennen teollisuutta. 10 (60)
Kaukolämpö on erityisesti taajama-alueilla ja kaupungeissa hyvin yleinen lämmitysmuoto, asuinkerrostaloista kaukolämmöllä lämmitetään 90 %. Koko Suomen rakennuskannasta noin 45 % on tällä hetkellä kaukolämmön piirissä. Kaukolämpöä tuotetaan sähkön ja lämmön yhteistuotantona (CHP) sekä lämmön erillistuotantona. Varsinaisen tuotannon lisäksi lämmön talteenotto kattaa noin 9 % kaukolämmön hankinnasta (Energiateollisuus ry, 2018). Yhteistuotannossa merkittävimmät polttoaineet ovat kivihiili (26 %), biomassa (26 %), maakaasu (22 %), turve (17 %) sekä sekapolttoaineet (7 %), joka sisältää muun muassa jätteenpolton. Erillislämmöntuotannossa lämpöä tuotetaan CHP-laitoksia pienemmissä yksiköissä ja käytettävien polttoaineiden kirjo on huomattavasti laajempi. Merkittävimmät polttoaineet ovat biomassa (41 %), maakaasu (14 %) turve (11 %) sekä öljy (9 %). Myös teollisuuden sekundäärilämmöllä ja lämpöpumpuilla on merkittävä rooli erillislämmöntuotannossa. Erillis- ja yhteistuotannossa käytetyt polttoaineet on esitetty alla (Kuva 3-2). Kuva 3-2 Erillis- ja yhteistuotannossa käytetyt polttoaineet 2016 Yhteistuotanto 7.7 % 0.5 % Erillistuotanto 1.2 % 2.8 % 8.6 % 26.9 % 14.5 % 33.5 % 16.5 % 0.3 % 3.7 % 0.4 % 22.3 % 37.0 % 9.4 % 14.6 % Hiili Turve Biomassa* Sekapolttoaineet** Muut Öljy Maakaasu Biokaasu Lämpöpumput ja lämmön talteenotto *Sisältää metsäpolttoaineet sekä teollisuuden puutähteet **Sisältää kierrätyspolttoaineet sekä jätteet Lähde: (Energiateollisuus ry, 2017a) Etenkin yhteistuotannossa fossiilisten polttoaineiden osuus on tällä hetkellä melko suuri. Monien kaukolämpöyhtiöiden suunnitelmat niiden merkittäväksi vähentämiseksi 2020-luvulla ovat kuitenkin jo pitkällä 3.2 Kaukojäähdytys Kuluttajien vaatimukset sisäilman laadulle ja sopivalle lämpötilatasolle ovat kasvussa rakennusten muuttuessa samaan aikaan yhä tiiviimmiksi ja energiatehokkaammiksi, mikä lisää jäähdytyksen tarvetta rakennuksissa. Suomen rakennuskannan jäähdytysenergiantarpeesta ei ole olemassa tarkkoja arvioita. Jäähdytysenergian käyttö painottuu erityisesti toimistoihin, liikerakennuksiin sekä julkisiin rakennuksiin, mutta myös asuinrakennuksissa jäähdytys yleistyy. Kaupunkialueilla kaukojäähdytys on yleistynyt viime vuosina merkittävästi. Kaukojäähdytys on verrattain uusi jäähdytysmuoto. Kaukojäähdytyksellä tarkoitetaan jakeluverkonavulla tapahtuvaa jäähdytysenergian tuotannon ja jäähdytyksen lähteiden yhteen liittämistä siten, että verkkoon liitettyjen asiakkaiden jäähdytyksentarve katetaan energia- ja resurssitehokkaasti liiketoiminnallisin perustein. Toimintaperiaate on verrattavissa kaukolämmitykseen, mutta kaukojäähdytyksessä asiakkaalta siirretään ylimääräinen lämpö energiayhtiön kaukojäähdytysve- 11 (60)
teen. Paluuveden lämpö voidaan ottaa talteen ja jatkojalostaa lämpöpumppujen avulla kaukolämmöksi. Erityisesti kaupunkialueilla kaukojäähdytys on yleistynyt viime vuosina merkittävästi, ja vuonna 2014 kaukojäähdytyksen osuudeksi arvioitiin 14 % koko jäähdytystuotannosta (TEM 2016). Kaukojäähdytyksen yleistymistä rajoittaa kuitenkin sen jakelumahdollisuudet ainoastaan tiheästi asutuilla alueilla. Lisäksi toiminnan kannattavuus edellyttää suuria jäähdytysvolyymeja Suomessa ensimmäiset yhtiöt aloittivat kaukojäähdytystoimintonsa 2000-luvun vaihteessa. Yhteensä Suomessa oli vuonna 2016 yhdeksän kaukojäähdytystoimintaa harjoittavaa yhtiötä. Kaukojäähdytysenergian myynti, asiakasmäärät, ja jäähdytysverkostojen pituus Suomessa on esitetty seuraavassa kuvassa (Kuva 3-3). Kuva 3-3 Kaukojäähdytyksen myynti, asiakasmäärät ja jäähdytysverkostojen kokonaispituus Suomessa 2002 2016 GWh 250 200 150 100 kpl, km 500 400 300 200 50 100 0 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 0 Myynti Asiakasmäärä Jäähdytysverkoston pituus Lähde: (Energiateollisuus ry, 2017b). 3.3 Kaukolämpöverkon toiminta 3.3.1 Kaukolämmön hankinta Kaukolämmön tuotantolaitokset jaotellaan perinteisesti erillistuotantoon ja sähkön ja lämmön yhteistuotantoon. Lämpölaitoksissa tuotetun lämmön lisäksi lämmön hankinnassa käytetään kierrätettyä ylijäämälämpöä, jota saadaan esimerkiksi teollisuuden prosesseista tai datakeskuksista. Hukkalämpöä kierrättämällä voidaan vähentää polttamisen tarvetta ja näin ollen vähentää kaukolämpöjärjestelmän päästöjä. Polttamiseen perustuvassa tuotannossa lämmöntuotanto suuremman kokoluokan kattilalla ja lämmön jakelu verkon avulla tuovat skaalaetua verrattuna siihen, että jokaisella loppukäyttäjällä olisi oma lämpökattilansa. Hyötyjä tulee investointikustannuksissa, polttoaineen hankinnassa sekä myös päästöjen hallinnassa. Lisäksi verkkoa voidaan hyödyntää lämmön varastointiin ja tarvittava tuotannon maksimikapasiteetti on risteilyilmiön (kysyntähuippujen eriaikaisuus) vuoksi pienempi kuin olisi käyttäjäkohtaisilla lämpökattiloilla yhteensä. Myös sähköä tuottavien CHP-voimalaitosten suhteelliset investointikustannukset ovat sitä pienemmät, mitä suurempia ne ovat. Suurissa tuotantoyksiköissä voidaan myös vaihtaa polttoainetta joustavasti. Näiden syiden vuoksi Suomen kaukolämpöverkoissa on tyypillisesti yksi tai muutamia suurempia tuotantoyksiköitä - suurimmissa usein 12 (60)
CHP-laitos (yksi tai useampia) - ja talven huippukulutusta sekä kesän pienempää lämpökuormaa varten erillisiä lämpökattiloita. Lämpökattiloita saatetaan tarvita myös siksi, että kaukolämpöveden pumppaaminen suuresta tuotantoyksiköstä verkon reunamille ei aina ole mahdollista. Kaukolämpöyhtiöiden omien CHP-laitosten ja erillisten lämpökattiloiden ohella noin kolmannes lämmöstä hankitaan ulkopuolisilta lämmöntuottajilta esimerkiksi teollisuusprosessien ja datakeskusten ylijäämälämpönä. Tyypillisesti kapasiteetista noin 60 % mutta energiamääräisesti noin 80 % katetaan suuremman investointikustannuksen tehokkaalla yhteistuotantolaitoksella ja huippukapasiteetti, noin 40 % (mutta energiamääräisesti noin 20 %), halvan investointikustannuksen ja kalliimman polttoaineen lämpökattiloilla. Tällaisella mitoituksella tavoitellaan kokonaiskustannusten minimointia. Huippukattiloina on tyypillisesti käytetty kaasu- tai öljykattiloita, mutta viime aikoina myös pellettikattiloita. Periaatteellinen kaukolämpöverkon tuotannon mitoitus on havainnollistettu seuraavassa kuvassa (Kuva 3-4), joka esittää pysyvyyskäyrämuodossa (järjestettynä suurimmasta pienempään) verkon vuorokausikohtaisen lämmöntarpeen ja sen jakautumisen kahdelle eri tuotantoyksikölle. Todellisuudessa tuotantoyksiköitä voi olla useampia. Kuva 3-4 Tyypillinen kaukolämpöverkon tuotannon mitoitus 1 Lämpöteho 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Aika CHP-laitos Lämpökattila Lähde: Pöyry Kaukolämpöverkoissa oleva erilainen tuotantokapasiteetti (CHP ja lämpökattilat, sekä lämpöpumput) tekee mahdolliseksi säätää lämmön tuotantokapasiteetin käyttöä myös sähkömarkkinoiden tarpeen mukaan. Lämmön tuotannosta CHP-laitoksella voidaan siirtyä erillisiin lämpökattiloihin, jos sähkön hinta on alhainen eikä sähkölle olisi tarvetta. Toisaalta se, että verkossa on eri polttoainetta käyttäviä kattiloita ja voimalaitoksia tekee mahdolliseksi optimoida tuotantoa myös polttoainemarkkinoiden perusteella, mikä lisää edelleen energiajärjestelmän joustavuutta. Kaukolämpöyhtiö säätää kaukolämpöverkon menolämpötilaa pääasiassa siten, että lämpö saadaan siirrettyä mahdollisimman alhaisella menoveden lämpötilalla asiakkaille. Lämmön tarpeen kasvaessa talvella tarvitaan suurempaa lämpötilaeroa meno- ja paluulinjan välille, jolloin samalla vesivirralla saadaan siirrettyä suurempi lämpöteho. Menolämpötilan alarajana on se lämpötila, jolla vesivirran kasvu aiheuttaa niin suuren painehäviön kaukolämpöverkkoon, että kaukolämpöpumpuilla ei suurempaa painetta saada pumpattua tai kaukolämpöverkon rakennepaine ei sitä salli. Toisin sanoen alemmalla menoveden lämpötilalla ja nykyisellä putkistomitoituksella ei etenkään talvisin pystyttäisi siirtämään tarvittavaa lämpöenergiaa. 13 (60)
Kesäaikana menolämpötilan laskua rajoittaa lämpimän käyttöveden tarvitsema lämpötila. Menolämpötilan nostoa rajoittaa lämpöhäviöiden kasvu, mutta varsinaista teknistä rajoitetta menolämpötilan nostolle ei ole, kunhan lämpötila on kaukolämpöputkien suunnittelulämpötilaa 120 C alhaisempi. Myös asiakaslaitteet ovat mitoitettu siten, että ne toimivat ennalta määritetyillä kaukolämpöveden lämpötiloilla, jolloin selkeästi suunnittelulämpötiloja matalammilla menolämpötiloilla asiakkaat eivät välttämättä saisi tarvitsemaansa lämpötehoa. Seuraavassa kuvassa (Kuva 3-5) on esitetty tyypillinen meno- ja paluuveden lämpötila ulkoilman lämpötilan funktiona. Kuva 3-5 Tyypillinen kaukolämpöverkon meno- ja paluuveden lämpötila 120 100 80 60 40 20 0-25 -20-15 -10-5 0 5 10 15 20 25 Kaukolämmön menovesi Kaukolämpöveden lämpötila Kaukolämmön paluuvesi Ulkoilman lämpötila Lähde: Pöyry 3.3.2 CHP:n rooli energiajärjestelmässä Suomessa Energiajärjestelmässä jossa suuri osa lämmöstä ja sähköstä tuotetaan polttoaineita polttamalla, CHP-tuotannon hyödyntäminen vähentää polttoainekulutusta merkittävästi verrattuna tilanteeseen, jossa sähkö- ja lämpö tuotettaisiin erillistuotantona. CHP-tuotannolla saavutettavat hyödyt ovat luonnollisesti suurimmat kylmissä maissa, ja Suomi onkin ollut CHP-tuotannon hyödyntämisen edelläkävijä maailmassa. Teollisuudessa CHP on ollut käytössä melko laajalti jo 70-luvulla, kaukolämmön tuotannossa sen hyödyntäminen on kasvanut kaukolämmön tuotannon kasvaessa 2000- luvulle asti. Viime vuosina kaukolämmön kysyntä on tasaantunut, mutta sähkön tuotanto kaukolämpö-chp-laitoksissa on jopa laskenut. Tähän on ollut syynä korkean rakennusasteen (sähkö per tuotettu lämpö) maakaasu-chp:n huono kilpailukyky muita polttoaineita vastaan. 60-luvun puolivälistä alkaen CHP-tuotannon osuus Suomessa käytetystä sähköstä on kuitenkin ollut välillä 25-30 %. Sähkön tuotanto CHP-laitoksissa teollisuudessa ja kaukolämpösektorilla sekä niiden osuus sähkön kulutuksesta Suomessa on esitetty seuraavassa kuvassa (Kuva 3-6). 14 (60)
Kuva 3-6 Sähkön tuotanto yhdistetyssä sähkön ja lämmön tuotannossa Suomessa 1960 2016 30 TWh,sähköä 35% 25 30% 20 15 10 5 25% 20% 15% 10% 5% 0 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 0% CHP-kaukolämpö CHP-teollisuus CHP-tuotannon osuus sähkön kulutuksesta (oikea asteikko) Lähde: (Tilastokeskus, 2017c) Energiamielessä CHP:llä on siis resurssitehokkaana tuotantomuotona ollut tärkeä rooli Suomen energiajärjestelmässä ja se on myös osaltaan taannut suomalaisille yhden Euroopan halvimmista kaukolämmön hinnoista. Koska Suomessa sekä lämmön että sähkön kysyntä seuraavat voimakkaasti ulkoilman lämpötilaa, CHP toimii myös tehomielessä suotuisasti; talvella korkean lämmön kysynnän aikaan kaukolämpö- CHP-laitos tuottaa myös sähköä korkealla kokonaishyötysuhteella ja osallistuu näin huipputehon tuottamiseen. Jos sähkön hinta on korkean kysynnän tai muuttuvilta tuotantokustannuksiltaan halvempien tuotantomuotojen (tuulivoima, vesivoima, ydinvoima) vähäisyyden vuoksi korkealla, voidaan sähköntuotantoa CHP-laitoksissa edelleen nopeasti lisätä hyödyntämällä joko lauhdeperää (ympäri vuoden) tai apujäähdytystä (lähinnä kesä, syksy ja talvi). Toisaalta, kun sähkön hinnat ovat matalat, voi CHP-laitos höyryturbiininsa ohittamalla tuottaa pelkästään lämpöä. Näin CHP-tuotanto lisää sähköntuotantojärjestelmän joustavuutta. Viime aikoina sähkön hinnat ovat olleet Pohjoismaissa matalat. Tästä johtuen uusiin CHP-laitoksiin ei olekaan viime aikoina uskallettu investoida, ja joissain tilanteissa (joko öljykattila-ajon välttämiseksi tai sähkön ja kaukolämmön hintasuhteiden takia) CHP-laitoksia on ajettu myös turbiini ohittamalla. CHP-laitoksen sähköntuotantoa voidaan turbiinin ohitusta joko täysin tai osittain hyödyntämällä tarjota myös Fingridin taajuusohjattujen reservien markkinoille tai säätösähkömarkkinalle (kts. Kappale 5.2.4). Koska Pohjoismaissa on runsaasti tunnin sisäiseen säätöön soveltuvaa vesivoimaa, näiltä markkinoilta saatavat tulot ovat kuitenkin olleet rajalliset. Kaukolämpöakun avulla voidaan edelleen nostaa CHP-laitosten sähköntuotantoa, parantaa energiajärjestelmän kokonaishyötysuhdetta ja lisätä tuotantoon joustoa. Ilman kaukolämpöakkua CHPlaitos saattaisi korkean sähkön hinnan aikaan tuottaa sähköä vain sen hetkistä lämmöntarvetta vastaavan määrän ja ajaa alhaisen sähkön hinnan aikaan turbiiniohituksella. Kaukolämpöakun avulla voidaan sähkön yhteistuotannon määrää nostaa korkean sähkön hinnan (ja koko järjestelmän korkean tehontarpeen) aikana yli sen hetkisen lämmöntarpeen lataamalla lämpöä akkuun. Alhaisemman sähkön hinnan aikaan laitos voi ajaa ohitusajolla minimikuormalla ja purkaa lämpöä kaukolämpöakusta. Hyvin halvan sähkön hinnan aikaan kaukolämpöakkua voitaisiin ladata myös sähkökattilalla. Näin ei useinkaan toimita johtuen siitä, että energiayhtiöt joutuvat maksamaan käyttämästään sähköstä korkeamman veroluokan I mukaisen sähköveron (22,5 /MWh). CHP-laitos, 15 (60)
sähkökattila ja kaukolämpöakku voisivat kuitenkin yhdessä toimia tehokkaana kaukolämpöverkkoa hyödyntävänä joustoelementtinä sähkömarkkinalla. Kuva 3-7 CHP-laitoksen toimintaperiaate Sähkö verkkoon Polttoaine Water Heat exchange KL menovesi 75-120 C KL paluuvesi 40-60 C 3.3.3 Lämpöpumput kaukolämpöjärjestelmissä Suuren mittakaavan lämpöpumppuja hyödynnetään Suomessa yhdistetyssä kaukolämmön ja - jäähdytyksen tuotannossa. Lämpöpumppujen lämmönlähteinä toimivat kaukojäähdytetyn rakennuskannan hukka(jäähdytys)lämmöt, palvelinkeskusten jäähdytyslämmöt ja yhdyskuntien jätevesien sisältämä lämpö. Lämpö- tai jäähdytysvarastoon yhdistettynä lämpöpumppujen käyttöä voidaan entisestään tehostaa, ja lisätä sähkön käyttöä silloin kun sähkö on edullisinta tekemällä lämpöä myös varastoon ja vastaavasti vähentää lämpöpumppujen käyttöä sähkön hinnan ollessa korkeampi. Lämpöpumput tekevät mahdolliseksi uusiutuvalla energialla tuotetun sähkön hyödyntämisen ja uusiutuvan energian varastoimisen. Lämpöpumppuja voidaan käynnistää ja ajaa alas nopeasti, mikä tekee niistä hyviä jouston lähteitä sähkömarkkinoille. Lämpöpumpuilla on mahdollista osallistua säätösähkömarkkinoille, ja lämpöpumppuja voidaan tarjota myös tehoreserviin. Lämpöpumpun tuottaman veden lämpötila on normaalisti maksimissaan noin 60 C, tämän hetkisen teknisen maksimin ollessa noin 90-100 C. Yli 80-asteista vettä tuottavat lämpöpumput ovat kuitenkin normaaleja lämpöpumppuja kalliimpia ja tuotetun lämpötilan noustessa lämpöpumppujen tehokerroin laskee. Tämän vuoksi lämpöpumpun yhdistäminen suoraan osaksi kaukolämpöverkkoa on haastavaa ja vaatii yleensä talviaikaan lämmön priimaamista (lämpötilan nostoa) muilla tuotantomuodoilla. Pelkästään esimerkiksi maalämmöllä toimiva kaukolämpöjärjestelmä pitäisikin siis suunnitella ns. matalalämpöverkoksi, joka toimisi pienemmällä menoveden lämpötilalla. Tällöin investointi kaukolämpöputkistoon kasvaa, koska käytettävissä oleva lämpötilaero on pieni. Tällaisellekin systeemille voisi kuitenkin olla potentiaalia uusilla asuinalueilla. Järjestelmä voitaisiin suunnitella kokonaan tai osittain matalalämpöiseksi tai maalämpöä voitaisiin priimata esimerkiksi pellettikattilan avulla. 16 (60)
Lähiaikoina markkinoille on tulossa öljyttömiin kompressoreihin ja paremmin korkeisiin lämpötiloihin sopiviin kylmäaineisiin perustuvia lämpöpumppuja, jotka mahdollistavat lämpimän veden tuoton suoraan kaukolämpöverkkoon myös kylmimpään aikaan (veden lämpötila 115-120 C). Tämän tyyppisten lämpöpumppujen tehokertoimien arvioidaan olevaan suhteessa hieman paremmat kuin öljykäyttöisiin kompressoreihin perustuvien lämpöpumppujen. Kuva 3-8 Lämpöpumpun toimintaperiaate Lämpöpumppu Kompressori Lämmin vesi kuluttajalle Höyrystin Lauhdutin Jäähtynyt vesi kuluttajalta Lämmönlähde Paisuntaventtiili 3.3.4 Kaukolämpövarastot Kaukolämpövarastot tuovat joustavuutta kaukolämpöverkon toimintaan. Kaukolämpöjärjestelmässä energiaa voidaan varastoida pääsääntöisesti kolmella eri tavalla: järjestelmään kuuluvat rakennukset voivat varata energiaa itseensä, kaukolämpöjärjestelmässä kiertävä vesi voi toimia lämpövarastona tai lämpöä voidaan varastoida erillisiin lämpöakkuihin, joiden toiminta voi perustua eri teknologioihin. Lämpövarastot soveltuvat paitsi CHP-tuotannon yhteydessä sähkön tuotannon optimointiin (kts. Kappale 3.3.2), myös yleisesti kaukolämmön kulutus- ja tuotantohuippujen tasaamiseen, sillä lämpövarastoja voidaan ladata matalamman kysynnän aikana ja purkaa suuremman kysynnän aikana. Rakennusten lämmönvarastointi perustuu rakennusten kykyyn sitoa lämpöenergiaa. Rakennusten varaaman energian avulla voidaan saavuttaa energian säästöä ja sitä voidaan hyödyntää kysyntäjoustossa aamu- ja iltapiikkien tasaamiseksi. Rakennuksia voidaan lämmittää ennen kulutushuippua, jolloin lämmitystä voidaan leikata huipun aikana. Lisäksi rakennuksen ilmavaihtokoneet voidaan ottaa käyttöön porrastetusti yön tai viikonlopun lämpötilapudotuksen jälkeen. Myös hetkellinen lämmityksen tehon rajoitus käyttövesihuipun aikana aikaansaa tehon leikkauksen. Rakennukseen sitoutuvan lämmön lisäksi kiinteistöt voivat rakentaa myös omia erillisvarastoja, kuten läm- 17 (60)
minvesivaraajia. Uudisrakentamiseen liittyvät kiristyvät energiatehokkuusvaatimukset lisäävät rakennusten eristyskykyä ja sitä kautta lämmönvarastointikykyä, joka puolestaan parantaa kulutushuippujen tasaamismahdollisuuksia. Kaukolämpöverkkoja voidaan hyödyntää lyhytaikaisena lämpövarastona erityisesti silloin, kun kulutuksen kasvu on ennakoitavissa. Muutaman tunnin mittaisen latausjakson aikana kaukolämpöverkon menoputkeen siirrettävä vesi on noin 5-10 C lämpimämpää kuin tavallisesti. Kysynnän kasvun ennustaminen voi olla kuitenkin haastavaa, sillä se riippuu sääolosuhteista. Mikäli sääolosuhteet muuttuvat ennakoidusta poiketen, verkon lataus ei välttämättä purkaudu suunnitellusti. Tällöin yhteistuotantoa joudutaan leikkaamaan, mikä tarkoittaa myös sähköntuotannon vähenemistä. Lämpöakut mahdollistavat lämpöenergian varastoinnin sekä lyhytaikaisesti tunti- tai vuorokausi tasolla tai pitkäaikaisesti kuukausitasolla. Kuukausitason varastoja Suomessa ei toistaiseksi ole. Lyhytaikaisessa varastossa lämpö varastoidaan tyypillisesti vedellä täytettyihin teräs-, betoni-, tai kalliosäiliöihin. Suomen kaukolämpövarastoista ei ole olemassa virallista tilastoa, mutta liitteessä on esitetty tietoja Suomen merkittävimmistä kaukolämpövarastoista. Varastot sijaitsevat usein suurempien CHP-laitosten (tai lämpökattiloiden) vieressä. Pitkäaikaisessa varastoinnissa voidaan hyödyntää faasimuutokseen tai kemialliseen reaktioon perustuvia varastointimenetelmiä. Faasimuutokseen perustuvassa menetelmässä lämpöä sitoutuu, kun aine muuttaa olomuotoaan. Tyypillisesti faasimuutoksessa käytetään esimerkiksi suolaa, parafiiniä tai rasvahappoja, jolloin menetelmällä on kolminkertainen varastointi kyky veteen verrattuna. Kemialliseen reaktioon perustuvassa menetelmässä lämpöä varataan kemiallisen reaktion avulla. Kemialliseen reaktioon perustuvat menetelmät ovat vasta kehitteillä, ja niiden heikkoutena on reaktion heikko toistettavuus. Menetelmän varastointikyky on kuitenkin lähes kymmenkertainen veteen verrattuna. 3.3.5 Kaukolämmön käytön mittaus Lämmönkulutuksen oikeudenmukainen laskutus edellyttää kaukolämmön kulutuksen mittaamista. Lämpöenergiaa mitataan perustuen asiakkaan kaukolämpöveden virtaukseen sekä meno- ja paluuputken lämpötiloihin. Kaukolämmön käyttö laskutetaan Suomessa asiakaskohtaisilla mittauksilla. Kiinteistön sisällä lämmityskustannukset jaetaan pääsääntöisesti pinta-alojen suhteessa. Kustannusten jaossa voidaan käyttää myös huoneistokohtaisia mittareita tai kustannustenjakolaitteita, jolloin erillisten huoneistojen käyttämä lämpöenergia mitataan erikseen tai kiinteistön käyttämä lämpöenergia jaetaan huoneistojen jälkimittausten suhteessa. Nämä ovat kuitenkin Suomessa vähemmän käytettyjä menetelmiä. Huoneistokohtaisessa mittauksessa etenkin kerrostalojen tapauksessa ongelman aiheuttaa se, että säätämällä oman huoneistonsa lämpötilan hieman naapuria matalammalle, alkaa lämpötilaeron takia lämpöä johtua naapurista ilmaiseksi. Mittarilukemien perusteella seurataan lämmön käyttöä, kiinteistön kaukolämpöveden jäähdytystä ja laskutuksen oikeellisuutta. Lisäksi lämpöenergiamittarin tietoja voidaan käyttää tehon tarkistamiseen. Suomessa kaukolämmön etäluenta on yleistynyt viimevuosina merkittävästi, ja syrjäyttänyt ns. paikallisluennan, jossa asiakas lukee itse lämpömääränmittarin lukemat tai paikalla käy mittarinlukija. Etäluennan osuuden kehitys asiakkaiden lukumäärästä ja kaukolämmön myynnistä on esitetty kuvassa alla (Kuva 3-9). Etäluennan etuja ovat mittauksen oikeellisuuden varmistaminen, lukemien saannin nopeutuminen ja varmistuminen sekä kulutusseurantaraportoinnin laadun ja asiakaspalvelun paraneminen. 18 (60)
Kuva 3-9 Lämpöenergiamittarien etäluennan osuus asiakkaiden lukumäärästä ja kaukolämmön myynnistä 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 2008 2010 2012 2014 2017* Kaukolämpöasiakkaiden lukumäärä Kaukolämmön myynnistä *Vuonna 2017 tuntiluennan piirissä on 78 % asiakkaista ja 86 % lämmön myynnistä Lähde: Energiateollisuus ry Etäluennassa mittarien lukemat kerätään lämmönmyyjän haluamana ajankohtana keskitetysti sähköisesti laskutusjärjestelmän tietokantaan. Mittaustiedot on mahdollista tallentaa myös tietokantaan, josta ne ovat joustavasti lämmönmyyjän laskutusjärjestelmän ja muiden sovellusten käytettävissä. Uudet etäluentamittarit ovat tyypillisesti tuntikohtaisia, mutta vanhemmissa mittareissa tallennus- ja luentatiheys voi olla myös esimerkiksi kuukausittaista, mikä rajoittaa niiden hyödynnettävyyttä merkittävästi. Kuukausittain luettava mittausdata soveltuu pääsääntöisesti ainoastaan laskutustarpeisiin. Tiheämpää mittaus- ja luentatiehyttä voidaan käyttää monipuolisemmin esimerkiksi kaukolämpöverkon vesivirtausten seurantaan, ja se mahdollistaa myös kulutustietojen raportoimisen asiakkaalle lähes reaaliajassa. 3.3.6 Kysynnän ohjaus Energiayhtiöt pyrkivät eri keinojen avulla hallitsemaan asiakkaiden kysynnän vaihteluita ja ohjaamaan kokonaiskulutusta taloudellisesti optimaalisella tavalla. Tällaisilla kysynnän hallinnan (Demand-side Management, DSM) toimenpiteillä voidaan tehostaa olemassa olevan tuotanto- ja verkkokapasiteetin käyttöä ja lykätä tarvetta lisäkapasiteetin rakentamiselle. Kaukolämmön kysynnänohjaukseen on olemassa useita keinoja. Näitä ovat esimerkiksi ajallinen ohjaus, suora ohjaus, tariffi- ja hintaohjaus ja kysyntäjousto. Ajallinen ohjaus Ajallisessa ohjauksessa rakennuksen lämpötilaa pyritään laskemaan ajankohtina, jolloin rakennusta ei käytetä. Ohjausmenetelmä sopii esimerkiksi julkisten rakennusten kysynnänohjaukseen, sillä rakennusten käyttö painottuu niin sanotusti virastoaikojen mukaisesti. Rakennuksen keskuslämmitysjärjestelmä voidaan kytkeä pois päältä esimerkiksi öisin ja viikonloppuisin, jolloin rakennusta ei käytetä. Aikaohjauksen avulla lämpöasiakas säästää energiaa. Lämpötilan nosto aiheuttaa kuitenkin kulutuspiikkejä, jolloin kaukolämmön tuotannon näkökulmasta saattaa joissain tapauksissa olla edullisempaa ylläpitää tasaisempaa lämpötilaa. Lisäksi ajallinen ohjaus, jossa lämpötilan annetaan laskea pitkäksi ajaksi, vaikuttaa rakennuksen ilmanvaihtoon, mikä voi aiheuttaa terveyshaittoja asukkaille ja kosteusolosuhteiden muutoksia rakenteille. Näiden vaikutusten vuoksi ajalliseen ohjaukseen on parempi vaikuttaa esimerkiksi suoralla ohjauksella tai hintaohjauksella, jotka hyödyttävät sekä asiakasta että kaukolämpöyhtiötä. Suomessa on jo palveluntarjoajia, jotka tarjoavat automatisoitua ajallista ohjausta data-analytiikkaa ja tekoälyä hyödyntäen. Ratkaisut voivat perustua esimerkiksi huoneistokohtaisiin lämpötilasensoreihin, joiden tuottaman mittaustiedon perusteella rakennuksen lämmitystä voidaan ohjata. Ohjaus- 19 (60)
järjestelmä ei optimoi lämmitystä ainoastaan asukkaiden kannalta, vaan siitä on hyötyä myös kaukolämpöyhtiölle pienentyvän huipputehontarpeen vuoksi. Suora ohjaus Suorassa ohjauksessa lämmönmyyjä ohjaa suoraan asiakkaan lämmön käyttöä. Ohjaus edellyttää tiedonsiirto- ja ohjausjärjestelmää, johon voidaan kytkeä esimerkiksi sisälämpötilan ja ilmanvaihdon säätämiseen liittyviä ominaisuuksia. Tällaisella järjestelmällä ohjataan yleensä vain huonetilojen lämmitystehoa. Käyttöveden lämmitystäkin voidaan ohjata vain, jos asiakkaalla on käytössään lämminvesivaraaja ja siihen liittyvät mittaukset ovat riittäviä. Säätöjärjestelmällä voidaan alentaa huoneiston lämmitystehoa lämpimän käyttöveden kulutuspiikkien aikana. Käytännössä suora ohjaus voidaan toteuttaa lämmönmyyjän ja loppukäyttäjän välisellä sopimuksella, jossa määritetään, että lämmönmyyjä voi leikata tai katkaista asiakkaan lämpökuorman yhdessä sovittujen reunaehtojen mukaisesti. Rakennusten lämpötilaa ei ole toistaiseksi suoraan säädetty lämmönmyyjän toimesta, vaikka kiinteistöjen ohjausjärjestelmät antaisivat siihen mahdollisuuden etenkin asuinkerrostaloissa ja liikekiinteistöissä. Tällöin voitaisiin välttää esimerkiksi huippukattiloiden käynnistyminen asiakkaan asumismukavuuden siitä juurikaan kärsimättä. Tulevaisuudessa asiakkaan lämmityksen ja ilmanvaihdon ohjaus kiinteistöohjausjärjestelmillä on mahdollista. Muutos vaatii kuitenkin mittausdatan aktiivista seurantaa ja kokonaisvaltaisen mittausinfrastruktuurin rakentamista. Tähän asti on ollut vaivattomampaa käyttää akkuja, kuten erillisiä varastoja tai kaukolämpöverkkoa. Hintaohjaus Loppukäyttäjien lämmönkäyttöä voidaan ohjata epäsuorasti erilaisilla hinnoittelumalleilla. Tarkempi kulutuksen mittaus ja etäluenta mahdollistavat monipuolisempien hinnoittelumallien käyttöönottamisen. Nykyään kaukolämmön hinta muodostuu kolmesta eri komponentista: energiamaksusta, tehomaksusta ja liittymismaksusta. Energiamaksu ( /kwh) perustuu asiakkaan kuluttamaan energian määrään, ja sillä katetaan lämmöntuotannon muuttuvia kustannuksia. Energiamaksun kustannusvastaavuutta on pyritty parantamaan kausihinnoittelulla, jossa hinnat ovat erilliset esimerkiksi kesälle, talvelle ja talven huippukaudelle. Kausihinnoittelu kannustaa loppukäyttäjää energiansäästötoimenpiteisiin talvella ja huomioi paremmin huippukulutuksesta johtuvat kustannukset. Tehomaksu on kiinteistökohtainen vuosittainen maksu ( /vuosi), joka usein määräytyy kylmimpään aikaan lämmittämiseen tarvittavan suurimman tehon tai vesivirran perusteella. Maksuperuste määritellään laskennallisesti mitoitusolosuhteissa vallitsevan tehontarpeen mukaan tai vaihtoehtoisesti suurimman mitatun tehon perusteella. Tehomaksulla katetaan kaukolämmön kiinteitä kuluja, jotka syntyvät muun muassa verkon ja tuotannon kapasiteetin ylläpidosta. Tehomaksu voidaan laskea asiakkaan todellisen tehontarpeen mukaan, jolloin se ei perustu suoraan sopimuksessa määritettyyn sopimusvesivirtaan tai -tehoon. Tällöin sopimus- ja laskutusteho on eriytetty toisistaan. Laskutusteho voidaan määrittää esimerkiksi edellisten vuosien mitattujen huipputehojen perusteella, tai se voi perustua suoraan aikaisempaan kulutukseen esimerkiksi edellisen kuukauden osalta, jolloin maksun suuruus vaihtelee kuukausittain. Tällaiset laskutusperusteet mahdollistavat asiakkaiden laskutuksen heidän todellisen tehontarpeensa mukaan, sillä mahdolliset kulutusmuutokset päivittyvät automaattisesti myös tehomaksuun. Liittymismaksulla katetaan asiakkaan liittymisestä aiheutuvat kulut. Maksu vaikuttaa asiakkaiden kiinnostukseen liittyä kaukolämpöverkkoon ja kaukolämpöyhtiön asiakkaaksi, mutta koska liittymismaksu on luonteeltaan investointikulu, sillä ei ole merkitystä kysynnänohjauksessa. Kysyntäjousto Kaukolämmön kysyntäjoustolla tarkoitetaan kaukolämmön kulutuksen ja sitä kautta lämpötehon tarpeen ajoituksen muuttamista tavanomaiseen lämmitystarpeeseen verrattuna heikentämättä asiakkaiden kokemaa palvelun laatua. Kysyntäjoustolla pyritään siirtämään huippulämmöntoimittamista peruslämmöntoimittamiseksi, eli kysyntäjouston tavoitteena on yleensä loiventaa kulutushuippuja kalliimpien polttoaineiden käytön välttämiseksi. Huippukapasiteetin tarpeen korvaamisen lisäksi kysyntäjoustolla voidaan alentaa myös käyttökohteen tehoa tai vesivirtaa, jotka määrittävät kaukolämmön tehomaksun. Tällöin kysyntäjousto vaikuttaa suoraan asiakkaan lämmityskustannuksiin. 20 (60)
Kaukolämmön kysyntäjousto voi tarjota useita hyötyjä niin kaukolämpöyritykselle, asiakkaalle kuin yhteiskunnallekin. Näitä hyötyjä on esitetty seuraavassa kuvassa (Kuva 3-10. Kuva 3-10 Kaukolämmön kysyntäjouston mahdollistamia hyötyjä Kaukolämmön tuotanto Peruskuormavoimalaitosten käyttöastetta ja käyntiaikaa saadaan parannettua Huippulämpökeskusten ja muiden kustannukseltaan peruskuormalaitoksia kalliimpien voimalaitosten käyttöaikaa saadaan lyhennettyä, mutta käyttöastetta parannettua Uusia tuotantoinvestointeja voidaan lykätä tai toteuttaa kevyempinä CHP-laitoksilla tuotettu sähkö saadaan ajoitettua kalliimman sähkön ajankohtiin Lämpöpumppujen ja mahdollisten sähkökattiloiden käyttö saadaan ajoitettua edullisemman sähkön ajankohtiin Kaukolämpöasiakkaat Alhaisemmat kiinteät perusmaksut, jos ne perustuvat mitattuun todelliseen tehontarpeeseen, ja sitä saadaan alennettua Alhaisemman energiakustannukset, jos tariffimalli palkitsee energiankäytön siirtämisestä edullisemman lämmön hinnan ajankohtiin Kuluttajapalveluiden kehittyminen uusien hinnoittelu- ja liiketoimintamallien kautta Kaukolämpöverkko Pumppausenergian ja/tai -tehon tarpeen aleneminen ja verkkotasapainon ylläpidon helpottuminen Verkkoinvestointien lykkääminen tai mitoituksen keveneminen Järjestelmätason energiatehokkuuden paraneminen Yhteiskunta Energiatuotannon ympäristöystävällisyyden edistäminen Mahdollinen yleinen energiansäästö Mahdollisten vientikelpoisten ratkaisujen kehittäminen Lähde: (Valor Partners Oy, 2015) Kysyntäjouston lopulliseen hyötypotentiaaliin vaikuttavat merkittävästi kaukolämpöjärjestelmäkohtaiset tekijät. Näitä tekijöitä on esitetty seuraavassa kuvassa (Kuva 3-11). Yleisesti voidaan todeta, että kysyntäjouston hyötypotentiaali on sitä suurempi, mitä suuremmat ovat erot eri lämmöntuotantolaitoksilla tuotetun lämmön hinnassa ja mitä huonommat ovat järjestelmän lämmönvarastointimahdollisuudet. Kuva 3-11 Kysyntäjouston hyötypotentiaaliin vaikuttavat tekijät Hyötypotentiaalia kasvattavia tekijöitä Huonot lämmön varastointimahdollisuudet Suuret erot eri lämmöntuotantolaitoksilla tuotetun lämmön hinnassa Lämpökuorman suhteen niukasti mitoitetut voimalaitokset Tarjolla saatavuudeltaan vaihtelevaa teollisuuden ylijäämälämpöä, joka kattaa vain osan tarvittavasta tehosta Epäoptimaalinen kaukolämpöverkko, jossa asiakkaat ovat hajallaan tai ilmenee kriittisiä pullonkauloja Hyötypotentiaalia alentavia tekijöitä Lähde: (Valor Partners Oy, 2015) Paljon lämpöakkukapasiteettia Runsaasti erilaista lämmöntuotantoa: CHP, lämpöpumput, hakekattila jne. Lämpökuorman suhteen reilusti mitoitetut voimalaitokset Tarjolla runsaasti yhteistoimintaan perustuvaa kiinteää lämmöntoimitusta Suuri kuormitustiheys Väljästi mitoitettu kaukolämpöverkko 21 (60)
Kaukolämpöyhtiö voi antaa kysyntäjouston edellyttämän ohjaussignaalin kiinteistöille eri tavoilla. Vanhojen etähallintaan kuulumattomien kerrostalojen tapauksessa järkevintä voisi olla rakentaa kiinteistöjen kaukolämpökeskuksiin selkeä automatiikka, joka esimerkiksi rajoittaa veden lämpötilaa aamuisin klo 7-9. Kiinteistöt, jotka ovat etähallinnassa, voisivat saada ohjaussignaalin massaohjaussignaalina. Kysyntäjoustoon liittyviä hintasignaaleja ja ohjausta on kuvattu tarkemmin kappaleessa 5.4. Kysyntäjouston hyötypotentiaalista on esitetty erilaisia arvioita. Teoreettiseksi pitkän tähtäimen potentiaaliksi on arvioitu järjestelmästä riippuen jopa 5-25 % vuotuisista tuotantokustannuksista. Tällaisiin arvioihin liittyy kuitenkin useita epävarmuuksia, eivätkä kaikki teoreettisen potentiaalin edellyttämät ratkaisut ole toteutettavissa tällä hetkellä. Kaukolämpöyhtiöiden arvioiden mukaan realistinen oletus kysyntäjouston hyötypotentiaaliksi on nykyratkaisuin ja nykykokemusten perusteella järjestelmästä riippuen 1-3 % vuosikustannuksista. (Valor Partners Oy, 2015) 3.3.7 Toimijat kaukolämpösektorilla Kaukolämpöä toimittavat asiakkaille Suomessa pääasiassa paikalliset kaukolämpöyhtiöt, jotka vastaavat sekä lämmön jakelusta, myynnistä ja tuotannosta. Kaukolämpöyhtiöt myös ostavat lämpöä ulkopuolisilta lämmöntuottajilta, kuten teollisuudelta, merkittävässä määrin. Ulkopuoliset lämmön tuottajat tekevät sopimukset lämmön toimituksesta kaukolämpöyhtiön kanssa, joka myy lämmön asiakkaille. Asiakassektoreista asuminen ja palvelut ovat merkittävimmät kaukolämmön käyttäjät Suomessa. Vuonna 2016 tämä sektori kulutti lämpötilakorjattuna 32 TWh tuotetusta kaukolämmöstä ja teollisuus noin 3,5 TWh. Kaukolämmön käyttö sektoreittain vuosina 2002 2016 on esitetty seuraavassa kuvassa (Kuva 3-12). Kuva 3-12 Kaukolämmön käyttö sektoreittain 2002 2016 (lämpötilakorjattu) 50 TWh 40 30 20 10 0 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 Asuminen ja palvelut Teollisuus Häviöt Lähde: (Tilastokeskus, 2017d), (Lämpötilakorjaus: Pöyry) Suomessa on yli 100 kaukolämpöyhtiötä. Verkkojen määrä Suomessa on kuitenkin huomattavasti yhtiöiden määrää suurempi, noin 400 kpl 1, sillä monet yhtiöt operoivat useampaa verkkoa. Yli 1000 GWh lämpöä myyviä yrityksiä on vain seitsemän, lämmön myynnin keskiarvon ollessa 330 GWh ja 1 Luku pitää sisällään myös paikalisten lämpöyrittäjien omistamat verkot 22 (60)
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100 LOPPURAPORTTI mediaanin noin 50 GWh. Suurin osa kaukolämpöyhtiöistä on siis melko pieniä suhteessa suurimpiin yhtiöihin (Kuva 3-13). Kuva 3-13 Kaukolämpöyhtiöt Suomessa (2016, suuruusjärjestyksessä vuoden aikana toimitetun volyymin mukaan) 7000 GWh 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Lähde: (Energiateollisuus ry, 2017a) Yritykset Kaukolämmöntuottajien ja asiakkaiden välissä toimii nykyään myös palveluntuottajia, jotka tarjoavat kaukolämpöasiakkaille esimerkiksi tekoälyyn perustuvia oppivia säätöjärjestelmiä tai investoivat asiakkaan puolesta energiaa säästäviin ratkaisuihin (mm. Leanheat, Fourdeg ja LeaseGreen). Kaukolämmön käyttäjille hyödyt näkyvät mm. kaukolämmön kulutuksen laskuna, pienempinä vaihteluina sisälämpötiloissa ja mahdollisesti myös kaukolämmön sopimustehon, ja näin kiinteiksi luettavien maksujen, laskuna. Kaukolämmön asiakkaat voivat yhdistää tällaisiin palveluihin myös muita kiinteistöön liittyviä mittauksia, kuten kosteuden mittauksen, joilla voidaan ennakoida tulevia huoltotarpeita. Myös kaukolämpöyhtiöt saattavat hyötyä tällaisista palveluista pienemmän huipputehontarpeen ja verkoston pullonkaulojen välttämisen johdosta. 3.4 Digitalisaatio ja energia-alan tietojärjestelmät Digitalisaatiolla tarkoitetaan digitaalisten teknologioiden ja infrastruktuurin soveltamista liiketoimintaan, talouteen ja yhteiskuntaan (Autio, 2017). Digitalisaatio koetaan tänä päivänä yhtenä tärkeimmistä ajureista, jotka muuttavat liiketoiminnan, talouden ja yhteiskunnan toimintaa. Digitalisaatio on siten vaikuttanut ja tulee edelleen vaikuttamaan energia-alan tulevaisuuteen sekä energiatoimialan sisäisen kehittymisen että välillisesti sidosryhmien kokemien muutosten kautta. Seuraavassa esitellään energia-alalla nykyisin käytössä olevia tietojärjestelmiä ja niiden käyttötarkoituksia. Tänä päivänä käytössä olevat tieto- ja ohjausjärjestelmät kaukolämmölle ja -jäähdytykselle, sähkölle ja kaasulle voidaan ryhmitellä toiminnallisuuksiltaan samankaltaisiin kokonaisuuksiin (Taulukko 3-1). Yksityiskohdissa on kuitenkin suuria eroja. Kaukolämpö- ja kaukojäähdytysverkot ovat paikallisia. Sähköllä ja maakaasulla voidaan selkeästi erottaa siirto- ja jakeluverkot ja siten myös tukkuja vähittäismarkkinat toisistaan. Kaukolämmölle ja -jäähdytykselle sekä kaasulle verkoston dyna- 23 (60)
miikka ja varastointikyky on otettava huomioon. Sähkö taas vaatii järjestelmältä kysynnän ja tarjonnan välistä tasapainoa joka hetki. Taulukko 3-1 Tieto- ja ohjausjärjestelmät kaukolämmölle ja -jäähdytykselle, sähkölle ja kaasulle Järjestelmä Kaukolämpö ja -jäähdytys Sähkö Kaasu Verkon- ja tuotannonhallinta Etäluettava mittausjärjestelmä (SCADA ja AMR-järjestelmä tuottavat mittaustiedot*) Käyttöpaikkojen tuntiluenta (lähes täysin) Käyttöpaikkojen tuntiluenta 15 min tasejaksoon aikaisintaan 2020- luvun alussa** Siirtoverkossa käyttöpaikkojen tuntiluenta, jakeluverkoissa osin tuntiluentaa Mittaustietojen hallintajärjestelmä (MDM, liitettynä SCADAan ja AMR-järjestelmään) kulutusmittaustietojen käsittelyyn Kyllä Kyllä Kyllä Toiminnanohjausjärjestelmä (ERP) Kyllä Kyllä Kyllä Hajautettu automaatiojärjestelmä (DCS liitettynä SCADAan) Kyllä Kyllä Kyllä Ympäristönhallinta Päästömittaus- ja ympäristöjärjestelmät (EMIS) Kyllä Kyllä Kyllä Päästökauppaan liittyvät tietojärjestelmät Alkuperätakuujärjestelmä Liiketoimintaprosessit Tukkumarkkinoiden kaupankäyntialustat (pörssit, OTC-kaupankäynti) Tukkumarkkinoiden osto- ja myyntiportfolioiden hallintajärjestelmät Liittyy kaukolämpöön, sähköön ja maakaasuun suoraan ja välillisesti (kustannusten ja päästöjen hallinta, kaupankäynti, viranomaisraportointi) Ei lainsäädäntöön Kyllä Biokaasuperustuvaa järjestelmää Sertifikaatit (todenta- miseen perustuva voi olla) Ei relevantti Kyllä Kyllä Ei relevantti Kyllä Kyllä (2020 alusta) Energiatiedonhallintajärjestelmä (EDM), sis. verkon taseselvitys laskutusta varten Kyllä (asiakaslaskutusta varten) Kyllä (keskitetty datahub 2020 jälkeen, sis. myös sopimusprosesseja) *** Kyllä (nyt asiakaslaskutusta varten, 2020 alusta keskitetty kaasudatahub) Asiakastietojärjestelmä (CIS), sis. asiakkaiden sopimusprosessit ja laskutusprosessit sekä asiakkaiden sähköinen asiointi Kyllä Kyllä Kyllä *SCADA tuottaa tiedot mm. tuotantokäyttöpaikoista (sähkö) ja verkkojen rajapisteistä (reaaliaikaisia mittaustietoja) ja AMRjärjestelmä tuottaa kulutuskäyttöpaikkojen mittaustiedot **perustuen TSOiden esitykseen. Mittauksista osa (pienimmät kohteet) voi jäädä 60 min luentaan ***Alkuperäinen aikataulu 2019, josta datahubin on ilmoitettu viivästyvän. Lopullista aikataulua ei ole julkaistu. Kaukolämmössä ja -jäähdytyksessä on siirrytty sähkön tavoin käyttöpaikkojen tuntikohtaiseen mittaukseen ja etäluentaan. Kaasun vähittäismarkkinoiden osalta vastaava on käynnissä. Mittaustietojen hallintajärjestelmä (MDM) kerää käyttöpaikkakohtaiset kulutus- ja tuotantomittaustiedot. Mittaustietojen hallintajärjestelmä voi tarvittaessa suorittaa mittaustiedoille automaattisen validoinnin ja muuntaa ne energiatiedonhallintajärjestelmien tarvitsemaan muotoon. Toiminnanohjausjärjestelmä (ERP) integroi verkon- ja tuotannonhallintaan liittyviä osa-alueita. Näihin voivat sisältyä omaisuudenhallinta, varastonhallinta ja tuotannonohjaus. Myös tuotannonsuunnittelujärjestelmä, kunnossapidon tietojärjestelmät ja polttoaineiden logistiikka voivat sisältyä toiminnanohjausjärjestelmään. Hajautettu automaatiojärjestelmä käsittää yllä olevassa taulukossa verkonhallintajärjestelmät (SCADA), verkon automaatiojärjestelmät ja tuotannon automaatiojärjestelmät. Hajautettu automaa- 24 (60)
tiojärjestelmä tarkoittaa, että automaatiotoiminnot on jaettu eri laitteille ja tiedot ja automaatiotoiminnot voivat sijaita eri ohjelmistoissa. Energiatiedonhallintajärjestelmä (EDM) suorittaa kaukolämmölle ja jäähdytykselle, sähkölle ja kaasulle taseselvityksen. Taselaskennan tuloksia ja mittaustietojen hallintajärjestelmän tuottamia mittaustietoja käytetään laskutusperusteena tukkumarkkinaosapuolten (sähkö, kaasu), vähittäismyyjän (sähkö, kaukolämpö, kaasu) ja tämän asiakkaiden välillä. Asiakkaiden sopimuksien ja laskutuksen hallinta sisältyy joko energiatiedonhallintajärjestelmään tai hoidetaan erillisellä asiakastietojärjestelmällä (CIS). Edellä ja aiemmassa taulukossa esiteltyjen tieto- ja ohjausjärjestelmien lisäksi voidaan hyödyntää räätälöityjä sovelluksia esim. ennakoivaan kunnossapitoon, hinnoittelun suunnitteluun ja kulutuksen ennustamiseen. Sovelluksia on kehitetty myös kuluttajakeskeiseen asiakaspalveluun mm. mahdollistamalla sähköinen asiointi sopimusten solmimisessa ja päättämisessä, muuttotilanteissa, laskutuksessa ja tiedottamisessa huolto-, häiriö- ja vikatilanteista. Lisääntyvä digitalisaatio on nostanut esille kuluttajien tietoturvaan ja energiajärjestelmien kyberturvallisuuteen liittyviä kysymyksiä. Nykyisin käytössä olevat tietojärjestelmät sisältävät haavoittuvuuksia, koska järjestelmien käyttöajat ja päivityssyklit ovat pitkiä verrattuna uusien turvallisuusuhkien syntynopeuteen ja vakavuuteen. Tällaisten tahallisten hyökkäysten mahdollisuutta ei yleensä ole otettu huomioon verkottuneiden järjestelmäkokonaisuuksien suunnitteluvaiheessa. Verkottuneissa järjestelmissä viat ja häiriöt voivat levitä kytkettyihin järjestelmiin, mutta toisaalta on osoitettu, että täysin eristetyiksi rakennetut järjestelmät eivät ole tähän ratkaisu. Tietoturva ja kyberturvallisuus tulisi huomioida jo suunnitteluvaiheessa sekä liiketoimintaprosesseihin että fyysisten järjestelmien ohjaamiseen osallistuvissa järjestelmissä. Tällä hetkellä on suuri tarve energia-alan tietojärjestelmien kyberturvallisuusvaatimusten määrittelemiseen. Esimerkiksi EU:n tietosuoja-asetus (GDPR) keskittyy tietoturvaan henkilötietojen osalta. EU-jäsenvaltioilla on toukokuuhun 2018 asti aikaa toimeenpanna EU:n verkko- ja tietoturvadirektiivi (nk. NIS-direktiivi). Verkko- ja tietoturvadirektiivillä jäsenvaltiot velvoitetaan järjestämään tietoturvallisuuteen liittyvää viranomaistoimintaa. Direktiivi velvoittaa myös yhteiskunnan toiminnan kannalta keskeisten palveluiden tarjoajat ja digitaalisten palveluiden tarjoajat huolehtimaan tietoturvariskien hallinnasta ja raportoimaan poikkeamista valvontaviranomaisille (Liikenne- ja viestintäministeriö, 2017). Hallituksen esitys eduskunnalle laeiksi verkko- ja tietoturvadirektiivin täytäntöönpanoon liittyvien lakien muuttamisesta 192/2017 vp on tällä hetkellä valiokuntakäsittelyssä. Lakimuutosten on määrä astua voimaan 1.5.2018. Osana EU:n digitaalisen yhteismarkkinan kyberturvallisuuspolitiikkaa tällä hetkellä valmistellaan mm. maksuvälinepetosta koskevien rikosten torjunnan normeja, kyberturvallisuussertifiointia ja Euroopan unionin verkko- ja tietoturvaviraston (ENISA) mandaatin laajentamista (nk. kyberturvallisuusasetus (Euroopan Komissio, 2017)). ENISA osallistuu kyberturvallisuutta koskevan EUlainsäädännön valmisteluun ja tarjoaa EU-jäsenmaille asiantuntijapalveluita kyberturvallisuusasioissa (Euroopan unioni, 2018). 25 (60)
4 TEKNOLOGISIA KEHITYSTRENDEJÄ 4.1 Tuotanto- ja varastointiteknologiat 4.1.1 Sähkön tuotanto Perinteinen polttamiseen perustuva sähkön tuotanto (höyrykattilat, kaasuturbiinit, höyryturbiinit) sekä vesivoima ovat olleet pitkään kypsää teknologiaa, eikä niissä ole odotettavissa suuria teknisiä tai yksikkökustannuksia madaltavia kehitysaskeleita. Ydinvoimalla voisi hiilidioksidivapaana tuotantomuotona olla kasvava rooli tulevaisuuden energiajärjestelmissä. Nykyään rakennettavat 3. sukupolven ydinvoimalat (mm. Olkiluoto 3) ovat 2. sukupolven reaktoreiden paranneltuja versioita, missä suurimmat edistysaskeleet on otettu käyttöiän kasvattamisessa sekä turvallisuudessa. Kehitteillä olevat neljännen sukupolven ydinvoimalaitokset voisivat käyttää polttoaineenaan uraanin lisäksi mm. ydinjätettä tai ydinaseista poistettua plutoniumia. Kasvaneiden turvallisuusvaatimusten seurauksena uusien ydinvoimaloiden kustannukset ovat kuitenkin pikemminkin nousseet kuin laskeneet. Viime aikoina myös pienydinvoima (sähköteho noin 300 MW tai alle) on nostettu mukaan keskusteluun kaupunkien energianlähteenä myös Suomessa. Pienydinvoimaloilla voitaisiin tuottaa myös lämpöä kaupunkien kaukolämpöverkkoihin. Niiden kaupallinen kilpailukyky on kuitenkin vielä epäselvä eikä Suomen lainsäädäntökään nykyisellään mahdollista sarjavalmisteista ydinvoimaa. Aurinkopaneelien ja tuulivoiman investointi- ja tuotantokustannukset ovat olleet viime vuosina voimakkaassa laskussa. Aurinkosähkön tasoitettu tuotantokustannus on viimeisen kymmenen vuoden aikana laskenut noin 70 % ja tuulivoiman noin 40 % (IRENA, 2017a). Vaikka aurinkosähkön hinnat tulevaisuudessa jatkaisivat laskuaan samaa trendiä noudattaen, olisi aurinkopaneeleilla tuotetun sähkön osuus Suomen kokonaiskulutuksesta arviolta noin yhden prosentin luokkaa sähkön vuosituotannosta vuonna 2030 (Pöyry, 2016) ja kesäaikaankin maksimissaan noin 10 %. Tarkastelujaksolla Suomessa aurinkopaneeleita asennettaisiin lähinnä korvaamaan sähkön ostoa verkosta, jolloin voidaan välttää sekä verkkomaksut että verot. Etelä-Euroopassa sen sijaan aurinkosähkön syöttö verkkoon tulee kannattavaksi jo 2020-luvulla, Suomessa todennäköisesti vasta tarkastelujakson jälkeen (Vartiainen, 2017). Aurinkosähkön eduksi on laskettava, että tuotanto ajoittuu päiväsaikaan, jolloin kysyntä on suurimmillaan ja siten se parantaa kysynnän ja tuotannon vuorokauden sisäistä tasapainoa. Tuulivoima sen sijaan on jo nykykustannuksilla kilpailukykyistä lähes kaikkia muita tuotantomuotoja vastaan (lukuun ottamatta CHP:tä joka pystyy hyödyntämään käyttökustannuksiltaan edullisia biomassajakeita) sähkön tukkumarkkinoilla ja sen tuotannon arvioidaan lisääntyvän merkittävästi Pohjoismaissa 2030-luvulle mentäessä. Vuonna 2017 tuulivoiman osuus sähkön tuotannosta Pohjoismaissa oli noin 10 %, vuoteen 2030 mennessä osuuden on arvioitu noin kaksinkertaistuvan (Statnett, 2016). 4.1.2 Kiinteistökohtainen lämmöntuotanto ja hybridiasiakkaat Keskitetty lämmöntuotanto on perustunut yleensä perinteiseen kattilatekniikkaan, johon ei ole näköpiirissä suurta kehitystä; nykyisten kattiloiden hyötysuhteet ovat jo suuria ja päästöt (rikin ja typen oksidit, pienhiukkaset) vähäisiä. Viime vuosina tosin biomassaa ja turvetta polttaviin kattilalaitoksiin on asennettu yhä enenevissä määrin savukaasulauhduttimia, joiden avulla laitosten kokonaishyötysuhde voidaan nostaa (alemmalla lämpöarvolla laskettuna) yli sadan prosentin. Kiinteistökohtaisessa lämmityksessä erityisesti maalämmön merkitys on kasvanut viime vuosina, kun taas öljylämmityksen, suoran sähkölämmityksen ja puulämmityksen osuudet ovat laskeneet. Kiinteistökohtaisia lämmöntuotantomuotoja ovat mm. maalämpöpumput, ilmalämpöpumput, aurinkokeräimet ja pellettikattilat. Maalämpöjärjestelmät mitoitetaan yleensä kerrostalokohteissa kattamaan noin 40-70 % maksimitehontarpeesta, jolla katetaan noin 70 95 % vuotuisesta energiasta (Ympäristöministeriö, 2018). Huippukulutuksen aikaan maalämmön tukena käytetään tavallisesti sähkövastusta. Ilmalämpöpumpuista etenkin poistoilmalämpöpumput ovat yleistyneet viime aikoina kaupungeissa. Ne soveltuvat parhaiten kohteisiin, joissa on koneellinen poistoilmanvaihto ilman lämmöntalteenottoa. Tällöin energiantarve päälämmitysjärjestelmästä, usein kaukolämmöstä, pienenee tapauskohtaisesti 10-50 %. Poistoilmalämpöpumppuja on myös asennettu maalämmön rinnalle. Aurinkokeräimet tuottavat lämpöä lähinnä kesäisin ja ne kilpailevat kattopinta-alasta usein 26 (60)
kannattavampien aurinkopaneelien (sähkön tuotanto) kanssa kaupungeissa. Aurinkokeräimillä tuotetun lämmön alhainen lämpötilataso mahdollistaa sen käytön lähinnä käyttöveden lämmitykseen ja keräimet tarvitsevatkin rinnalleen jonkun toisen lämmitysjärjestelmän. Pellettikattilat eivät kaupunkiympäristössä ole saavuttaneet suurta suosiota yksityis- eikä kiinteistöyhtiökäytössä johtuen suurista kokonaiskustannuksista. Toisaalta niiden lisääntyminen merkitsisi haitallisten pienhiukkasten lisääntymistä ja ilmanlaadun heikentymistä. Maalämpö on suosittu lämmitysmuoto etenkin pientaloille, mutta myös kerrostaloille maalämpö voi olla kilpailukykyinen vaihtoehto kaukolämpöön nähden. Kerrostalokiinteistöjen kiinnostus maalämpöön onkin kasvanut viime aikoina. Kaukolämmöstä pois vaihtaneiden osuus on kuitenkin kokonaisuudessaan hyvin pieni (Energiateollisuus ry, 2018). Pienen alkuinvestoinnin ja helppouden vuoksi uusien kerrostalojen lämmitysmuodoksi valitaan kaukolämpö yli 95-prosenttisesti. Lisäksi tiheästi asutuilla kaupunkialueilla tontin koko ja maanalainen infrastruktuuri rajoittavat usein porakaivojen poraamista, samoin pohjavesialue voi vaikeuttaa maalämmön toteutusta. Lämmitysjärjestelmää, jossa päälämmitysjärjestelmän (esim. kaukolämpö) rinnalla käytetään toista lämmitysjärjestelmää, kuten ilmalämpöpumppua tai aurinkokeräimiä kutsutaan usein hybridijärjestelmäksi. Vaikka maalämpöjärjestelmässä huipputeho tuotetaan usein sähkövastuksella, ne voisivat myös hyödyntää kaukolämpöä hintasuhteiden ollessa sopivat joko huippukysynnän aikaan tai kesällä kun kaukolämmön tuotantokustannukset ovat hyvin matalat. Joissain tapauksissa kaukolämmön kustannukset ovat nousseet vaihtoehtoisten ratkaisujen kustannuksia korkeammiksi, jolloin maalämpöön siirtynyt asiakas on valinnut huippulämmönlähteeksi jonkin muun ratkaisun kuin kaukolämmön. Edellä kuvatut hybridiasiakkaat käyttäisivät lähtökohtaisesti kaiken tuottamansa lämmön itse, mutta asiakkaiden tuottamaa lämpöä voidaan jossain tapauksissa syöttää myös kaukolämpöverkkoon, mikäli mm. lämpötilataso ja muut tekniset edellytykset täyttyvät. Teknisten edellytysten lisäksi myös taloudellisten edellytysten tulisi täyttyä, jotta ylijäämälämpöjä voidaan syöttää verkkoon. Viime aikoina on myös keskusteltu paljon uudenlaisten Third-Party Access (TPA) mallien soveltamisesta kaukolämpöön. Tällöin tuottajat voisivat myydä lämpöä jopa suoraan asiakkaalle käyttäen kaukolämpöverkkoa lämmön välittäjänä. Kaikkien pisimmälle viedyssä muodossaan tällainen TPA-malli pyrkisi noudattelemaan sähkömarkkinamallia, jossa kuka tahansa voi ostaa sähköä keneltä tahansa, hinta määräytyy markkinoilla tuntikohtaisesti ja verkon maksut ovat sääntelyn piirissä. Kaukolämmön markkinoiden ollessa kooltaan ratkaisevasti pienemmät, on kuitenkin erittäin todennäköistä, että tällaisen mallin mm. verkon eriyttämisestä ja lisääntyvästä byrokratiasta aiheutuvat kustannukset ovat suuremmat kuin mahdolliset hyödyt. 2 Nykyisessäkin tuottajan ja kaukolämpöyhtiön välisiin sopimuksiin perustuvassa TPA-ympäristössä kolmannet osapuolet voivat toimia lämmöntuottajina ja kaksisuuntaista kaukolämpöä onkin jo pilotoitu Suomessa. 4.1.3 Energian varastointi Sähkön varastointi akkuihin (Litiumioni) on investointikustannuksiltaan tällä hetkellä noin sata kertaa kalliimpaa kuin lämmön varastointi kaukolämpöakkuun, 500-1000 EUR/kWh vs. 10 EUR/kWh (IRENA, 2017b), Pöyry). Jotta investointi sähköakkuun olisi kannattava, sen pitäisi olla käytössä hyvin suuren osan aikaa vuodesta. Koska pohjoismaisella sähkömarkkinalla on runsaasti säätön kykenevää vesivoimaa, arbitraasi sähkön spot-markkinalla (vuorokaudensisäisen hintaeron hyväksikäyttö) tuskin mahdollistaa tätä edes tulevaisuudessa. Sähköakuilla voi kuitenkin olla oma roolinsa tunninsisäisen tehotasapainon ylläpidossa lähinnä Fingridin reservimarkkinoilla. Koska rajasiirtoyhteyksien kautta ja suomalaisesta vesivoimasta on saatavissa myös halpaa taajuusreservikapasiteettia, rajoittuu sähköakkujen markkinapotentiaali tällä markkinalla korkeintaan joihinkin kymmeniin megawatteihin. Sähköakut soveltuvat lähinnä lyhyen ajan (tuntien tai korkeintaan päivien) varastointiin. Pidemmän ajan varastoina voidaan käyttää esimerkiksi pumppuvesivoimaa tai power-to-gas-sovelluksia. Pumppuvesivoima on toistaiseksi ainoa laajasti käytetty sovellus sähkön varastointiin. Pyhäsalmelle, vanhaan kaivosympäristöön on kaavailtu tällaista noin 1400 metrin korkeuserolla toimivaa laitos- 2 Pöyryn ET:lle tekemä raportti Third-Party Access to district heating networks 27 (60)
ta, jonka teho olisi 75 megawattia, varaston kapasiteetti 530 megawattituntia ja hyötysuhde 77 %. Suomessa pumppuvesivoiman potentiaali ja kilpailukyky muun muassa vähäisten korkeuserojen vuoksi on kuitenkin rajallinen. Power-to-gas-teknologia voisi teoriassa tarjota mahdollisuuden sähkön laajamittaiseen ja pitkäaikaiseen varastointiin. Sen avulla tuotetaan vedestä metaania kahdessa vaiheessa; ensin vesi hajotetaan elektrolyysin avulla vedyksi ja hapeksi, toisessa vaiheessa syntynyt vety metanoidaan hiilidioksidin avulla metaaniksi. Ensimmäinen vaihe kuluttaa sähköä, toinen vaihe tarvitsee raakaaineekseen hiilidioksidia, ja koko prosessi tuottaa myös lämpöä ja happea. Metaanin teon hyötysuhde (tuotettu metaani per käytetty sähkö) on noin 55 %. Jos näin tuotettua metaania käytetään edelleen esimerkiksi uusimman teknologian kaasukombivoimalassa sähkön tekemiseen, muodostuu koko prosessin hyötysuhteeksi noin 33 %. Ensimmäinen vaatimus tämän teknologian kannattavuudelle on, että sen käyttämän sähkön kokonaishinta (verot ja verkkomaksut mukaan luettuna) olisi hyvin alhainen. Lisäksi sen tuottamasta lämmöstä ja hapesta olisi mielellään saatava tuloja ja prosessin käyttämän hiilidioksidin tulisi olla ilmaista. Vaikka olemassa olevaa maakaasuputkistoa voitaisiin hyödyntää näin tuotetun kaasun jakelussa, power-to-gas-teknologia tuskin muodostuu vielä 2020-luvulla kannattavaksi Suomessa. Kuva 4-1 Power-to-gas toimintaperiaate 4.2 Digitalisaation eteneminen Digitalisaation eteneminen heijastuu energia-alaan sekä suoraan että epäsuorasti muiden toimialojen kehityksen kautta. Tämä vaikuttaa etenkin mahdollisuuksiin hyödyntää erilaisia liiketoimintamalleja, yhdistellä palveluja toisiinsa ja tehdä aiempaa tarkempaa analytiikkaa ja ohjausta fyysisille järjestelmille ja päätöksentekoa varten. Energiajärjestelmien välistä integraatiota, markkinaehtoisuutta ja energiapalvelujen asiakaslähtöisyyttä voidaan kehittää useilla keinoilla tulevina vuosina. Energiaresurssien yhdistämiseen liittyvän tiedonvaihdon lisäksi energiapalveluista voidaan tehdä kokonaisvaltaisia ja asiakaskeskeisiä räätälöimällä palvelu erilaisiin yksilöllisiin tarpeisiin, elämäntapoihin ja kiinnittäen huomiota asiakaspalvelukokemukseen. Energia-alan informaatiojärjestelmiin vaikuttavia muutoksia ovat: kysyntäjousto, energian pientuotannon ja varastointimahdollisuuksien lisääntyvä kaupallinen hyödyntäminen (sähkön varastointi, sähkön varastointi lämmöksi, lämmön, kylmän ja kaasun varastointi, uusiutuvan energian investointien edistämismuotona sertifikaattikaupankäynti fyysisestä toimituksesta erillään) kotien ja kiinteistöjen tietotekniikan ja automaatioasteen lisääntyminen sekä kulutuskäyttäytymisen muuttuminen: 28 (60)
energiatuotteiden alkuperällä on tärkeä merkitys helppokäyttöisyys asiakkaan kannalta: kaukolämmön ja -jäähdytyksen sekä kaasun integroituminen sähkön kanssa yhdeksi energiapalvelukokonaisuudeksi energian liittyminen osaksi muita kuluttajille suunnattuja palveluja (esim. rahoitus, vakuutukset, turvallisuus, tietoliikenne) sähkön vähittäismarkkinoiden datahub 2020 jälkeen sähkössä siirtyminen 15 min tasejaksoon 2020 jälkeen sähkössä muutokset säätösähkö- ja reservimarkkinoiden säännöissä 2020 jälkeen, minkä yhtenä tavoitteena on helpottaa kysyntäjouston osallistumista näille markkinoille sähköautojen yleistyminen: lataamisen optimointi sähköverkon vahvistaminen (luo edellytyksiä myös sähkökattiloiden käytölle) kaasumarkkinoiden avautuminen kilpailulle Suomessa 2020 alusta alkaen markkinasääntöjen maidenvälisen harmonisoinnin eteneminen (sähkö, kaasu, kaukolämpö ja -jäähdytys) sähkö- ja kaasumarkkinoiden markkina-alueiden integraation eteneminen Informaatioteknologia tarjoaa jo tänä päivänä useita teknisiä ratkaisuja, joiden käyttöä voidaan energia-alalla syventää: Kiinteistöautomaatio, toimilaitteiden etäohjaus ja älylaitteet. Palveluntarjoaja voi liittää keskitetysti etäohjatut toimilaitteet ja älylaitteet asiakkaan kotona oleviin energiajärjestelmiin ja hallita asiakkaan kaikkia energiajärjestelmiä kokonaisvaltaisesti tämän puolesta. Tämän ansiosta voidaan automatisoida mm. asiakkaan kysyntäjousto ja pientuotanto ilman, että tällä on vaikutusta asumismukavuuteen. Virtuaalinen voimalaitos ja aggregointi. Virtuaalinen voimalaitos viittaa useiden käyttöpaikkojen ja/tai tuotantokäyttöpaikkojen energiankulutuksen ja -tuotannon etäohjaukseen keskitettynä palveluna. Keskittämällä voidaan muodostaa voimalaitoskokoluokan kokonaisuuksia, joiden tuotteilla voidaan käydä kauppaa markkinoilla. Virtuaalisen voimalaitoksen ylläpitäminen edellyttää useiden käyttöpaikkojen ja/tai tuotantokäyttöpaikkojen rinnakkaista ja yhdistettyä toiminnan ohjaamista ylätasolta. Reaaliaikaisemman tiedon siirtäminen kotitalouksista, kiinteistöistä ja muista asiakkaan järjestelmistä. Esim. AMR-mittareihin kytketty reaaliaikainen tiedonsiirtojärjestelmä voi välittää tietoja analysoitavaksi, todennettavaksi ja ohjaussignaaleja varten. Tietoja voidaan välittää mm. kaukolämmöstä, kaasusta, sähkönkulutusta ohjattavista laitteista ja esineistä kenelle tahansa palveluntarjoajalle, jolla on tähän loppukäyttäjältä saatu valtuutus. Säätösähkö- ja reservimarkkinoille osallistuminen edellyttää tasejaksoja reaaliaikaisempaa tiedonkäsittelyä. Pilvipalvelut. Tietovirrat voidaan viedä pilveen, josta niitä voidaan hyödyntää aiempaa reaaliaikaisemmin ja joustavammin ja tuottaa siten palveluja markkinaosapuolille ja kuluttajille. Pilveen voidaan tuoda mitä tahansa tietoja, joita palveluissa on tarve hyödyntää. Lohkoketjut. Esimerkiksi älykkäät sopimukset voidaan perustaa lohkoketjuteknologiaan, jolloin sopimustieto on tallennettu hajautetusti tietokoneille, jotka ovat yhteydessä toisiinsa internetin välityksellä. Tällöin ei tarvita keskitettyjä tiedonvaihtoratkaisuja. Kaukolämmössä sovelluskohteina voisivat olla mm. sopimukset uusiutuvasta kaukolämmöstä (mahdollinen kaupankäynti myös eri toimipaikkojen välillä) ja asiakkaan mittaustietojen välittäminen eri osapuolten välillä. IoT. Yhä useammat kotitalouksien käyttämistä laitteista voidaan kytkeä internetiin. Tämä laajentaa mahdollisuuksia etäohjaukseen ja integraatioon erilaisten palvelujen välillä. 29 (60)
Tekoäly. Oppivat ohjelmistot ja tietojärjestelmät pystyvät itsenäisesti kehittymään ja reagoimaan tilanteisiin järkevällä tavalla. Tietoturva ja -suoja sekä kyberturvallisuus. Asiakaskohtaisen tiedon hyödyntämiseen tarvitaan asiakkaan valtuutus. Tämän lisäksi järjestelmien on kyettävä takaamaan tietojen eheys, käytettävyys ja luottamuksellisuus kaikissa tilanteissa. Järjestelmät on rakennettava siten, että tieto- ja kyberturvallisuus sekä tietosuoja otetaan huomioon elinkaaren kaikissa vaiheissa ja huomioiden erityyppiset uhat ja riskit. Vehicle-to-grid. Ajoneuvo voidaan kytkeä sähköverkkoon älykkään ohjausjärjestelmän kautta siten että akkuja voidaan purkaa ja ladata riippuen tarpeesta verkossa. Tämä käsite voidaan laajentaa muotoon Vehicle-to-Market Platform. Tällöin akkujen lataus ja purkaminen on kaupankäynnin kohde, jolle määräytyy hinta kulloisenkin markkinatilanteen mukaan (vrt. virtuaalinen voimalaitos yllä). Informaatioteknologia toimii alustana erilaisille liiketoimintamalleille. Jaetuilla alustaratkaisuilla voidaan myös lisätä tietojen saatavuutta ja edistää toimijoiden välistä kilpailua markkinoilla. Keskitetyt ratkaisut antavat mahdollisuuden ulkoistaa palveluja aiempaa joustavammin. Kaukolämmölle ja -jäähdytykselle tietojärjestelmäratkaisut ovat toistaiseksi olleet yrityskohtaisia, mutta kysymys tiedonvaihdon keskittämisestä voi tulla ajankohtaiseksi, jos kaukolämpöyhtiö tarjoaa tiedonvaihdon alustaa kolmansille osapuolille. Keskitetyn tiedonvaihdon järjestelmien toteuttaminen edellyttää osapuolilta tiivistä yhteistyötä ja yhteistä näkemystä palvelujen sisällöistä. Keskittäminen ja yhtenäistäminen palvelevat myös mahdollisia kolmansia osapuolia, jotka asiakkaan valtuutuksella voivat hyödyntää saman keskitetyn palvelun kautta eri yhtiöiden tuottamia tietoja. Kaukolämmön ja -jäähdytyksen osalta olisi myös mahdollista pohtia toimialan yhteisten tiedonvaihto- ja menettelytapojen sopimista tai jopa yhteisten alustojen perustamista, jos halutaan tarjota kolmansille osapuolille paremmat mahdollisuudet toimia yhteistyössä samanaikaisesti eri kaukolämpöyritysten kanssa. Mitä lähemmäs energia-alalla mennään reaaliaikaista markkinamallia, sitä enemmän energia-alan liiketoimintaprosessien on toimittava kuten automaatiojärjestelmä. Tekoäly voi hoitaa päätöksenteon, kun on analysoitava suuria tietovirtoja ja muuttuvia tilanteita nopeasti. Pilvipalveluiden kautta palveluntarjoajat voivat kehittää tekoälyä sekä energia-alan kaupankäyntiä että järjestelmien ohjaamista varten standardoituja rajapintoja käyttäen. Seuraavassa kuvassa 4-2 on esitetty eri alustojen ja rajapintojen välistä vuorovaikutusta. 30 (60)
Kuva 4-2. Kaupalliset ja säännellyt digitaaliset palvelualustat monipuolisten energiapalvelujen mahdollistajina Seuraavassa on esitelty konkreettisia käyttötapauksia, joissa voidaan hyödyntää mittaustietojen analytiikkaa, ohjausta ja tiedonvaihtoa kaukolämpö- ja jäähdytysjärjestelmissä sekä aiempaa kokonaisvaltaisempien asiakaslähtöisten energiapalvelujen tarjonnassa. 4.2.1 Kaukolämmön kysynnän ohjaaminen Kaukolämmön tuotantokustannuksia voidaan optimoida ohjaamalla lämmön kysynnän ja tuotannon ja suhdetta. Tämä edellyttää verkon toiminnan mallintamista, koska jokaisen yksittäisen kaukolämpöasiakkaan kulutuksen keskitetty ohjaaminen ei ole käytännössä mahdollista. Lämpö voidaan hinnoitella dynaamisesti todellisten tuotannon marginaalikustannusten perusteella ja ohjata hintasignaalilla kulutusta niissä kohteissa, joissa lämmönkäyttöä voidaan säätää. Hintasignaalin laskentaan ja järjestelmän ohjaamiseen tarvittava mallinnus voi perustua termodynaamiseen mallintamiseen, oppiviin algoritmeihin tai yhdistelmään erilaisia mallinnustekniikoita sekä verkon mittauksiin. Mallin virittämiseen voidaan hyödyntää analytiikkaa, esim. tutkia tarkemmin lämpökuormien käyttäytymistä (huippukulutuksen ajoittuminen, kulutuksen jakautuminen verkossa) ja hintaohjauksen vaikutuksia erilaisissa tilanteissa. Kaukolämpöjärjestelmän hintasignaalin muodostamisessa on huomioitava, että kaukolämpöjärjestelmä on dynaaminen lämpötilaeroihin ja virtausmääriin perustuva järjestelmä (kyky ja nopeus siirtää lämpöä riippuvat em. tekijöistä) toisin kuin sähköjärjestelmä, jossa tuotannon ja kulutuksen on oltava tasapainossa joka hetki ja tarvittava verkon säätö voidaan toteuttaa lähes reaaliajassa. Kaukolämpöjärjestelmän fyysinen rakenne ja ulkolämpötila (verkon ja lämmönvaihtimien mitoitus, verkon topologia, kuluttajien ja lämmöntuotantolaitosten fyysinen sijainti, kulutuksen ja tuotannon säädettävyys) vaikuttavat suuresti siihen, millä tavalla järjestelmä on ohjattavissa ja miten järjestelmä käyttäytyy kunakin ajanhetkenä. Kuluttajien aktiivinen osallistuminen pientuotannon ja kulutuksen joustoon luo uusia mahdollisuuksia parantaa energiajärjestelmän kokonaistehokkuutta sekä kehittää täysin uusia palveluita. Lämpöpumppujen, aurinkolämmön ja erilaisten lämmön varastointimahdollisuuksien hyödyntämisestä rinnakkain kaukolämmön tuotannon kanssa on tehty viime vuosina paljon tutkimuksia ja pilottihankkeita. Kysynnän ja pientuotannon ohjaamista ei ole kuitenkaan viety laajamittaisesti kaupalliseen käyttöön edelläkävijäyrityksiä lukuun ottamatta. 31 (60)
4.2.2 Tuotannon ohjaaminen Kaukolämmön tuotanto perustuu osittain yhdistettyyn sähkön- ja lämmöntuotantoon, osin erilliseen lämmöntuotantoon ja osin erilaisiin lämpöpumppu- ja hybridiratkaisuihin. Jotta järjestelmän kokonaisoptimi saavutetaan yhtä aikaa sekä sähkön- että lämmöntuotannon osalta, täytyy kaukolämmön kuorma ennustaa mahdollisimman tarkasti ja reaaliaikaisesti ottaen huomioon asiakaskohtaiset kulutuskäyttäytymisen muutokset ja kysyntäjousto. Järjestelmän tulee optimoida eri lämmöntuotantotapojen tuotantokustannus ja ajojärjestys, mallintaa ja ennustaa tuotantoyksiköiden polttoaineiden kulutus ja eri polttoaineiden hinnat. Tämän lisäksi on mallinnettava ja optimoitava kaukolämpöverkon dynamiikka (verkon varaaminen, kaukolämpöakut jne.) sekä yhdistetty sähköntuotanto sähkömarkkinoille (Elspot, Elbas, säätösähkö jne.) ottaen huomioon eri tuotteiden hinnat. Edellä kuvatusta tuotannon ohjausjärjestelmästä puuttuu tänä päivänä lämmön kysynnän ohjaus. Tulevaisuuden haasteita lämmön ja sähkön yhteistuotannon ohjaamiseen tuovat myös mahdolliset muutokset sähkö- ja kaasumarkkinoilla tarjottaviin tuotteisiin ja tasejaksoon. 4.2.3 Lämmönjakokeskuksen jäähtymän analysointi ja kunnossapidon valvonta Kaukolämpöveden jäähtymä kiinteistön lämmönjakokeskuksessa voidaan laskea ja kaukolämpöveden virtaamaa seurata ja havaita siten huollon tarpeessa olevat lämmönjakokeskusten lämmönvaihtimet tai tarpeet säätää tai huoltaa asiakkaan omaa lämpöjärjestelmää. Jäähtymän seurantaan liittyvä analytiikka voidaan jo tällä hetkellä toteuttaa etäluettavia tuntimittauksia hyödyntämällä. Asiakkaiden omissa lämmityslaitteissa olevia virhetoimintoja voitaisiin analysoida palveluna. Automatisoinnin ansiosta tieto kunnossapitotarpeista ja toimintaohjeet voitaisiin siten ohjata oikeaaikaisesti asiakkaalle tai tämän palveluntarjoajalle. Analyysista on myös mahdollista nähdä kunnossapidon vaikutus kaukolämpöyhtiön kannattavuuteen. Edellä mainittua analytiikkaa ei ole kaukolämpöyhtiöissä yleensä automatisoitu, sillä vastuu lämmönjakokeskusten lämmönvaihtimien kunnossapidosta on kiinteistöillä. 4.2.4 Palvelujen asiakaskohtainen räätälöinti Energiapalvelujen tarjoajat voivat yhdistää asiakkailtaan keräämiänsä aiempaa reaaliaikaisempia ja laajempia tietoja palveluntarjoajan omiin tietoihin ja muihin ulkopuolisiin tietoihin. Tietojen avulla voidaan mm. tutkia energia- ja palvelusopimusten kannattavuutta ennustaa kassavirtaa tunnistaa poikkeamia ja syy- ja seuraussuhteita eri tekijöiden välillä Tällä hetkellä perinteiset energiayhtiön ydinprosessit kuten sopimusten hallinta, energiamittaus ja laskutuksen prosessit ovat vakiintuneita. Jatkossa reaaliaikaisemman tiedon hyödyntäminen luotaessa henkilökohtaisempia, räätälöityjä palveluita voidaan mahdollistaa toteuttamalla avoimia kommunikointirajapintoja esim. API-rajapintojen kautta. Lisääntyvä IoT-laitteiden kytkentä, analytiikka, useiden eri tietoekosysteemissä toimivien järjestelmien (esim. kotiautomaatiojärjestelmät, kunnossapito) integrointi yhdessä keskeisen IT-infrastruktuurin kanssa mahdollistavat toimialarajojen ylittävien henkilökohtaisten palvelujen kehittämisen. Palveluina tuotetaan tänä päivänä jo olosuhdepalveluja, jossa kaukolämpöasiakkaalle tarjotaan kokonaispalveluna lämmityksen lisäksi jäähdytyksen ja ilmankosteuden automatisoitu säätö. Energiatehokkuusneuvonta voidaan myös viedä yhä syvemmälle asiakkaan järjestelmiin, jos asiakkaan valtuuttamana kiinteistökohtaisten tietojen saatavuus ja etävalvonta- ja ohjausmahdollisuudet lisääntyvät etäluettavien mittausten, älylaitteiden ja IoT-laitteiden myötä. 32 (60)
5 ÄLYKÄS KAUPUNKIENERGIAJÄRJESTELMÄ 5.1 Kohti uudenlaista energiajärjestelmää Perinteisesti asiakkaan rooli kaupunkien energiajärjestelmässä on ollut melko passiivinen. Asiakkaalla on ollut sopimukset paikallisen kaukolämpöyhtiön, sähköyhtiön ja mahdollisesti kaasun toimittajan kanssa, jotka ovat toimittaneet energiaa melko vakiona pysyvällä kwh-hinnalla, ja laskutuksen perusteena oleva energian määrä on mitattu esimerkiksi kerran kuukaudessa. Kaukolämmön tuotanto on perustunut joko CHP-tuotantoon tai lämpökattiloihin ja vaihtelevan tuotannon (aurinko, tuuli) osuus sähköjärjestelmässä on ollut pieni. Keskeisiä perinteiseen malliin vaikuttavia muutosvoimia on kaksi: ilmastonmuutos ja siihen liittyvä teknologiakehitys sekä digitalisaatio. Lämmön tuotannossa fossiilisista polttoaineista pyritään pääsemään eroon korvaamalla ne biomassalla, hukkalämmön talteenotolla tai joko kaukolämpöyhtiön tai asiakkaiden itsensä omistamilla lämpöpumpuilla. Sähkön tuotannossa taas etenkin tuulivoima lisääntyy Pohjoismaissa merkittävästi. Lisääntyvä energian varastoinnin tarve ja toisaalta myös mahdollisuus hyödyntää halpaa sähköä lämmitykseen luo tarvetta vahvistaa integraatiota sähkö- ja lämpöverkkojen välillä. Digitalisaation voi katsoa alkaneen jo kotitietokoneiden käyttöönotosta 1980-luvulla. Viime vuosina tapahtunut sekä laskentatehon että tiedonsiirron nopeutuminen ja halventuminen on tuonut mittaamisen, tiedon keräämisen sekä sen perusteella tehtävän analyysin osaksi eri toimialojen liiketoimintaprosesseja, ja se on myös luonut uusia arvonlisäys- ja ansaintamalleja. Lämpöliiketoiminnassa digitalisaatio voi mahdollistaa esimerkiksi asiakkaan oman lämmön tuotannon integroimisen osaksi kaukolämpöjärjestelmää, olosuhteiden mittaamiseen perustuvan huonekohtaisen lämmityksen optimoinnin ja kysyntäjouston tai tarkemman kaukolämpöverkon ja tuotannon ohjauksen sekä ennakoivan huollon. Kaiken kaikkiaan ollaan siis siirtymässä yhä vuorovaikutteisempaan kaupunkienergiajärjestelmään, jonka tavoitteena on hyödyntää kulloinkin edullisinta ja mahdollisimman ilmastoneutraalia energiaresurssia älykkäällä tavalla. Seuraavassa kuvassa on esitetty tällainen järjestelmä yleisellä tasolla. Kuva 5-1 Älykäs kaupunkienergiajärjestelmä 33 (60)
Älykkäässä kaupunkienergiajärjestelmässä huomioidaan tasapainoisesti kaikkien eri osapuolien tavoitteet ja tarpeet. Asiakkaan kannalta älykäs kaupunkienergia tarjoaa mahdollisuuden valita omia arvoja vastaavat energia- ja palveluratkaisut vaivattomasti. Energian tuottajien, myyjien ja palveluiden tarjoajien lisäksi älykäs järjestelmä tukee myös kaupungin tavoitteita vetovoimaisena ja ilmastotavoitteet saavuttavana alueena, sekä koko yhteiskunnan energia- ja ilmastopoliittisia tavoitteita. Älykäs kaupunkienergia tukee myös uusien ratkaisujen kehittämistä ja on houkutteleva liiketoimintaympäristö mm. automaatiojärjestelmien kehittäjille ja uusien palveluiden kehittäjille. Seuraavassa kuvassa on esitetty älykkään kaupunkienergian osapuolia ja mitä uudenlainen energiajärjestelmä kullekin osapuolelle saattaisi tarjota. Kuva 5-2 Älykkään kaupunkienergian osapuolet Jotta edellä kuvattuun järjestelmään voitaisiin päästä, tulisi siitä tunnistaa kaikkein tärkeimpiä elementtejä sekä keinoja, miten niitä voidaan vahvistaa. Tätä varten projektissa luotiin visio, joka on esitetty seuraavassa kuvassa. Visio perustuu eri järjestelmien vuorovaikutukseen, monipuoliseen palvelutarjontaan asiakkaille, sekä markkinaehtoisuuteen. 34 (60)
Kuva 5-3 Älykäs kaupunkienergia visio Älykäs kaupunkienergiajärjestelmä tuo edullisempaa joustoa siirryttäessä hiilineutraaliin energiajärjestelmään ja antaa samalla asiakkaalle mahdollisuuden valita haluamansa energiapalvelut vaivattomasti. Energiajärjestelmien vuorovaikutteisuus Monipuolinen palveluntarjonta Markkinaehtoisuus Parantaa energiajärjestelmien keskinäistä vuorovaikutusta, jolloin joustavuus lisääntyy, energian käyttö tehostuu ja ilmastotavoitteiden saavuttaminen helpottuu. Antaa asiakkaille mahdollisuuden hankkia monipuolisia energiapalveluita helposti. Perustuu markkinaehtoisuuteen, jolloin kaikilla toimijoilla on tasapuoliset mahdollisuudet toimia ja kehittää palveluita. Edellä kuvattuja älykkääseen kaupunkienergiaan liittyviä asioita toteutetaan Suomessa jo monin paikoin. Seuraavissa kappaleissa kuvataan tarkemmin vision yksittäisiä osa-alueita ja tuodaan esille asioita, mitä voidaan edelleen kehittää. 5.2 Vuorovaikutus sähköjärjestelmän kanssa Vuorovaikutteisissa energiajärjestelmissä energia voi siirtyä järjestelmien välillä, mikä mahdollistaa entistä tehokkaamman energian käytön ja kasvattaa kokonaisuuden joustavuutta. Seuraavassa kuvassa (Kuva 5-4) on esitetty periaatekuva energian siirtämisestä eri verkkojen välillä ja siihen käytettävistä teknologioista. 35 (60)
Kuva 5-4 Energiamuotojen vuorovaikutus Kaukokylmä Lämpöpumppu Lämpöpumppu Kaukolämpö Sähkö Varastoratkaisut tukevat vuorovaikutusta Lämpöpumppu Sähkökattila CHP-laitos Kaukolämpö- ja kaukokylmäverkon välillä voidaan siirtää energiaa lämpöpumpuilla ja lämpöpumppuja voidaan käyttää myös sähkön muuttamiseksi lämmöksi tai jäähdyttämiseen. Sähköä voidaan muuttaa lämmöksi myös suoraan sähkökattiloilla. CHP-laitoksen voi myös ajatella ohitusajossa muuttavan sähköä lämmöksi (polttoainetehon pysyessä vastapainelaitoksessa samana tuotetaan lämpöä sillä määrällä, mikä sähköä jää tuottamatta), mutta suoraa kaupallista konversioteknologiaa kaukolämmöstä sähköksi (tai kaukokylmästä sähköksi) ei ole. Kaukokylmän ja kaukolämmön yhdistämistä lämpöpumpuilla ja CHP:n erityyppisiä ajotapoja hyödynnetään jo nykyisellään aktiivisesti kannattavuuden puitteissa, kun taas sähkön muuttaminen lämmöksi kaukolämpöverkossa on Suomessa ollut harvinaisempaa (sähkön käyttö lämmityksessä etenkin pientaloissa on kuitenkin yleistä). Sähköverkon ja kaukolämpöverkon vuorovaikutus on tunnistettu merkittäväksi tekijäksi myös poliittisella tasolla. Euroopan komission ehdotuksessa uudeksi uusiutuvan energian direktiiviksi ehdotetaan että kaukolämpö- ja sähköverkkoyhtiöiden tulisi kartoittaa ja selvittää mahdollisia keinoja vahvemmalle integraatiolle: EU:n uusiutuvien energialähteiden direktiiviehdotus 24. Artikla kappale 8 Jäsenvaltioiden on vaadittava sähkönjakeluverkon haltijoita arvioimaan vähintään puolivuosittain yhteistyössä alueensa kaukolämmitystai kaukojäähdytysjärjestelmien haltijoiden kanssa kaukolämmitys- tai kaukojäähdytysjärjestelmien potentiaali tuottaa tasehallinta- ja muita järjestelmäpalveluja, mukaan luettuna kysyntäjousto ja uusiutuvista lähteistä tuotetun ylimääräisen energian varastointi, ja se, olisiko tunnistettu potentiaali resurssi- ja kustannustehokkaampaa kuin vaihtoehtoiset ratkaisut. 36 (60)
Edellä esitettyä direktiivin kohtaa ei kuitenkaan ole hyväksytty ja on luultavaa, että komission ehdotus muuttuu direktiivin jatkokäsittelyssä. Joka tapauksessa kaukolämmön ja sähköjärjestelmän yhteys on huomioitu merkittäväksi tekijäksi myös EU-tason energia- ja ilmastopolitiikassa. 5.2.1 Sähkön hyödyntäminen kaukolämmön tuotannossa Sähköä voidaan muuttaa suoraan lämmöksi esimerkiksi sähkökattiloilla. Taloudellisessa mielessä sähköä kannattaa muuttaa lämmöksi silloin, kun sähkön kokonaishinta (mukaan lukien verkkomaksut ja verot) on pienempi kuin kaukolämmön sen hetkinen marginaalituotantokustannus. Päästöjen näkökulmasta sähkön käyttö lämmityksessä on erityisen hyödyllistä silloin, kun sillä vältetään uusiutuvan sähköntuotannon rajoittaminen. Tuulivoiman suhteen tällaista tilannetta ei tarkastelujaksolla ole näköpiirissä Pohjoismaissa (Espanjassa esimerkiksi näin joudutaan tekemään tänäkin päivänä). Sen sijaan hyvin sateisina vuosina sähkön lisääntyvällä käytöllä saatettaisiin jossain määrin välttää vesivoimaloiden ohijuoksutusta. Myös lämpöpumppujen käyttö tukee kaukolämmön ja -jäähdytyksen sekä sähköjärjestelmän vuorovaikutusta, jos lämpöpumpun käyttöä optimoidaan yhdessä muun kapasiteetin kanssa sähköjärjestelmästä tulevien ohjaussignaalien perusteella (kts. Kappale 5.2.3). Yksi tapa lisätä verkkojen välistä vuorovaikutusta on vahvistaa hintasignaaleja sähkömarkkinoilta kaukolämmön puolelle niin, että kun lämmön tuottaminen sähköllä olisi kokonaisjärjestelmän kannalta optimaalista, sähköllä lämmittäminen olisi kannattavaa myös kaukolämpöyhtiölle. Sähkön markkinahinnan lisäksi kustannuksiin vaikuttavat myös siirtohinnat ja verot. Erityisesti sähkövero voi tehdä sähkön hyödyntämisestä suoraan lämmön tuotantoon kannattamatonta, koska energiayhtiöt maksavat käyttämästään sähköstä korkeimman sähköveroluokan mukaisen veron. Sähkökattiloiden käytön potentiaalia voidaan tarkastella vertaamalla tuotantokustannuksia olemassa olevan kaukolämmön muuttuviin tuotannon kustannuksiin. Näitä tuotantokustannuksia ja niiden vaihtelua vuoden sisällä on havainnollistettu seuraavissa kuvissa. Ensimmäinen kuva esittää tyypillistä suomalaista pienehkön kaupungin kaukolämpöverkkoa, jonka vuotuinen lämmön kulutus on noin 500 GWh ja jossa tuotanto perustuu biopolttoaineisiin CHP-laitoksessa ja lämpökattilassa. Huipun aikaista tuotantoa varten on lisäksi öljykattila. Toisessa kuvassa on esitetty suuren kaupungin lähinnä fossiilisiin polttoaineisiin perustuva verkko (vuotuinen lämmön kulutus 5000 GWh). Kuvissa on esitetty lämmön marginaalinen tuotantokustannus eri tuotantomuodoille vuoden 2016 polttoainehinnoilla ja veroilla. 37 (60)
Tammikuu Helmikuu Maaliskuu Huhtikuu Toukokuu Kesäkuu Heinäkuu Elokuu Syyskuu Lokakuu Marraskuu Joulukuu Tammikuu Helmikuu Maaliskuu Huhtikuu Toukokuu Kesäkuu Heinäkuu Elokuu Syyskuu Lokakuu Marraskuu Joulukuu LOPPURAPORTTI Kuva 5-5 Lämmöntuotannon marginaalinen tuotantokustannus eri vuodenaikoina pienen kaupungin kaukolämpöverkossa 200 MW 180 160 Bio-CHP Bio-kattila Öljykattila 140 90 /MWh 120 100 24 /MWh 80 60 40 14 /MWh 10 /MWh 20 0 24 /MWh Kuva 5-6 Lämmöntuotannon marginaalinen tuotantokustannus eri vuodenaikoina suuren kaupungin kaukolämpöverkossa 2000 MW 1800 Suuret lämpöpumput Kivihiili-CHP CCGT-CHP Kaasukattila 1600 1400 50 /MWh 1200 1000 800 600 400 24 /MWh 40 /MWh 19 /MWh 200 0 12-50 /MWh 38 (60)
Koska lämmön muuttuvat tuotantokustannukset ovat biopolttoaineiden polttoon perustuvassa kaukolämpöverkossa alhaiset läpi vuoden, ei sähkökattilainvestointi todennäköisesti niissä tulisi kannattavaksi. Sen sijaan fossiilisia polttoaineita käyttävässä kaukolämpöverkoissa, joissa käytetään maakaasua huippulämmön tekemiseen talvella joko lämpökattiloissa tai CCGT-laitoksissa sekä yksitäisiin tuotantohuippuihin kesällä, saattaa investointi muodostua kannattavaksi. Erityisesti näin saattaisi olla, jos sähköveroa laskettaisiin nykyisestä. Tätä tarkastellaan seuraavassa kappaleessa. 5.2.2 Case-esimerkki 1 sähkökattila suuressa kaukolämpöverkossa Kaukolämmön tuottaminen sähköllä voi joissain tilanteissa tuoda hyötyjä sekä yhteiskunnalle että kaukolämpöjärjestelmälle. Yhteiskunnallinen hyöty syntyy energiatuotannon ympäristövaikutusten mahdollisesta vähenemisestä sekä hintojen laskusta kaukolämmössä sekä säätösähkö- ja reservimarkkinoilla. Toisaalta lisääntynyt sähkön kulutus nostaa hieman sähkön hintaa. Mahdollisten yhteiskunnallisten hyötyjen näkökulmasta voi olla perusteltua tarkastella myös sähköveron suuruutta kaukolämmön tuotannossa. Sähkökattilan kannattavuutta kaukolämmön tuotannossa, sekä alhaisemman sähköveron merkitystä on arvioitu esimerkkiverkon tuotannon mallinnuksen avulla. Mallinnuksessa sähkökattila lisättiin osaksi suuren esimerkkikaukolämpöyhtiön tuotantoportfoliota ja simuloitiin tuotantoa ja kulutusta yhden vuoden ajan. Malli minimoi laskentavuoden tuotantokustannuksia ottaen huomioon sähkönja polttoaineiden hinnan. Mallissa käytettiin lineaariseen optimointiin perustuvaa menetelmää. Sähkökattila osallistuu myös taajuusreservimarkkinoille (FCR-N vuosi- ja tuntimarkkinat) sekä säätösähkömarkkinoille, joista saadaan lisätuloa. Mallin yleinen toimintaperiaate ja keskeisimmät oletukset on kuvattu seuraavassa kuvassa (Kuva 5-7) ja taulukossa (Taulukko 5-1). Kuva 5-7 Mallin toimintaperiaate Vuoden 2016: Polttoainehinnat Sähkön hinta Verot CHP1 CHP2 HOB Kaukolämpöyhtiön tuotantoportfolio + Sähkökattila Lämpövarasto 0, 2 tai 10 GWh Kaukolämmön kysyntä Syöttötiedot Vuoden 2016 hinnat Reservit ja säätösähkömarkkinat Malli simuloi KL verkkoa 39 (60)
Taulukko 5-1 Mallin keskeisimmät oletukset Oletus Kuvaus Sähkökattila on hinnanottaja Sähkökattila ei toiminnallaan tai osallistumisellaan vaikuta sähkö-, reservi- tai säätösähkömarkkinoiden hintaan Mallinnusvuosi 2016 Kaikki lähtötiedot ovat vuodelta 2016: Lämpötilat ja lämmön kysyntäprofiili, eri sähkömarkkinoiden hinnat ja profiilit, polttoaineiden hinnat ja verot Kannattavuus on laskettu suoraan mallinnusvuoden tulosten perusteella Tunnin resoluutio Kaikki mallinnus tuntitasolla Suuri verkko Esimerkkiverkossa vuosikulutus noin 5 TWh Tuotantoportfolio koostuu kahdesta CHP laitoksesta (hiili ja kaasu), hukkalämpöä hyödyntävistä suurista lämpöpumpuista sekä huippulämpökeskuksista Sähkökattila uusi ja erillinen investointi Sähkökattila on uusi investointi olemassa olevaan tuotantoportfolioon Sähkökattilan koko on 100 MW ja investointikustannus 10 MEUR Investoinnilla ei korvata olemassa olevaa tuotantokapasiteettia Mallissa tarkasteltiin sähkökattilaa osana esimerkkikaukolämpöverkkoa kahdella eri veroasteella ja kokonaan ilman veroa, sekä kahdella eri verkon lämpövarastovaihtoehdolla ja kun verkossa ei ole lämpövarastoa. Sähkökattilan tulovirrat muodostuivat tuotantokustannusten laskusta (verrattuna tuotantoon ilman sähkökattilaa) sekä sähköverkon järjestelmäpalveluista. Tuloksista näkyy selkeästi, että sähkökattilainvestointi ei ole kannattava nykytilanteessa (Taulukko 5-2). Sen sijaan tilanteissa, joissa veroa lasketaan, sähkökattilainvestointi on kannattava tai hyvin kannattava. Kannattavuus voi hieman parantua, jos otetaan huomioon investoinnin korvausvaikutus, eli se että kaukolämpöyhtiö voi poistaa sähkökattilan kapasiteettia vastaavan määrän muuta varakapasiteettia ja näin saada säästöjä. Kaukolämpöyhtiön näkökulmasta investointi voisi olla siis monessa tilanteessa kannattava nykyistä alhaisemmalla verolla. Kaukolämpövarasto laskee kaikissa tilanteissa sähkökattilainvestoinnin käyttöastetta ja kannattavuutta, mikä esimerkkiverkossa johtuu kahden CHP-laitoksen pääsääntöisesti edullisemmasta marginaalikustannuksesta, mutta tilanne voi kääntyä päinvastaiseksi esim. polttoaineiden tai päästöoikeuksien hinnan nousun myötä. 40 (60)
Tuntien määrä LOPPURAPORTTI Taulukko 5-2 Sähkökattilainvestoinnin kannattavuus ja käyttöaste Ei KL-varastoa KL-varasto 2 GWh KL-varasto 10 GWh I Veroluokka Vero noin 22.5 EUR/MWh ilman ALV. IRR* <0 % <0 % <0% Käyttöaste 3 % 1 % <1% II veroluokka IRR >10 % 4 % <0 % Vero noin 7 EUR/MWh ilman ALV. Käyttöaste 15 % 7 % 5 % Ei veroa IRR >10 % >10 % >10% Käyttöaste 26 % 19 % 15 % * IRR (Sisäinen korko) on yksi investoinnin kannattavuuden mittari. Yli 10 % IRR ei ole esitetty tarkemmin IRR:n huonosta soveltuvuudesta korkeisiin kannattavuuksiin Sähköjärjestelmähyötyä on tarkasteltu esimerkkilaskennassa kahdella tavalla: Miten sähkökattilan käyttö ajoittuu ja mikä on sen hintavaikutus reservimarkkinoilla. Kuva 5-8 näyttää, millä tavalla sähkökattilan käyttö ajoittuu suhteessa sähkön hintaan (oletuksena sähkön veroluokka II ja ei KLvarastoa). X-akseli kuvaa sähkön hintaa ja Y-akseli sitä kuinka monena tuntina on ollut kyseinen hinta vuonna 2016 (oranssi viiva) ja kuinka monena tuntina kyseisellä hintatasolla sähkökattila on ollut käytössä (sininen viiva). Katkoviivat näyttävät sähkönhinnan keskiarvon koko vuodelta sekä sähkönhinnan keskiarvon niiltä tunneilta, kun sähkökattila on ollut käytössä. Jakauman ja keskiarvojen perusteella voidaan sanoa että sähkökattilan käyttö ajoittuu nimenomaan edullisen sähkön tunneille. Sähkökattilan käyttöä tapahtuu kuitenkin esimerkissä myös keskimääräistä sähkönhintaa hieman kalliimmilla tunneilla, esimerkkitapauksessa kun hinta on yli 32 EUR/MWh. Tähän voidaan tarvittaessa vaikuttaa esimerkiksi dynaamisella sähköverolla, jolla voidaan ohjata käyttöä enemmän edullisen sähkön tunneille. Kuva 5-8 Sähkökattilan käyttötunnit suhteessa sähkön hintaan 1600 1200 800 400 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Sähkön hinta Sähkön hinnan jakautuminen Sähkökattilan käytön jakautuminen Keskiarvot esitetty katkoviivalla 41 (60)
Sähkökattila laskee osallistumisellaan hintoja reservi- ja säätösähkömarkkinoilla. Arvioitu laskun suuruus on esimerkkitapauksessa säätösähkömarkkinoilla noin yksi prosentti ja reservimarkkinoilla 1-2 %. Laskun suuruus riippuu ennen kaikkea markkinoiden koosta. Säätösähkömarkkinat ovat näistä kolmesta suurimmat ja siksi hintavaikutus on pienin. Esimerkkilaskelmassa sähkökattilan käyttö korvaa lähinnä maakaasukäyttöisen lämpökattilan käyttöä. Pöyryn sähkömarkkinasimulointien mukaan marginaalinen, hinnan Suomessa määräävä voimalaitos 2020-luvulla on noin 80-95 % vuoden tunneista Keski-Euroopassa sijaitseva joko kivihiiltä tai maakaasua käyttävä, usein lauhdelaitos. Niinpä vaikka paikalliset päästöt Suomessa laskevatkin sähkökattilan käytön johdosta, Euroopan tasolla ne nousevat. Toisaalta voidaan ajatella, että koska sekä kaukolämmitys että sähköntuotanto kuuluvat päästökaupan piiriin, tuotannon siirtyminen EU:n sisällä ei vaikuta alueen kokonaispäästöihin, jotka määräytyvät päästökauppajärjestelmän vuosittain alenevan päästökaton mukaan. Näin tuotantoa voitaisiin optimoida pelkästään taloudellisista näkökohdista. Tällöin kuitenkin tulee mietittäväksi sähkölle tehdyn lämmön täysi verottomuus (sähköntuotannon polttoaineet ovat verovapaita) suhteessa muihin lämmöntuotantomuotoihin. Seuraavassa taulukossa on esitetty esimerkkilaskelmaan perustuva arvio sähkökattiloiden käytön kokonaismäärästä Suomen kaukolämpöverkoissa, niiden avulla vältetyistä paikallisista päästöistä Suomessa sekä kokonaispäästöistä Euroopan tasolla. Sähkökattiloiden määrä Suomen tasolla perustuu Pöyryn arvioon laskelmassa käytetyn verkon kaltaisten verkkojen kokonaislämmönkulutuksesta Suomessa. Taulukko 5-3 Suomen kaukolämpöverkkojen sähkökattiloihin liittyvät päästöt Suomessa ja Euroopan tasolla Esimerkkiverkko Koko Suomi Ei sähkökattilaa On sähkökattila Ei sähkökattilaa On sähkökattila Maakaasukattiloiden polttoaineen kulutus GWh 300 110 760 280 Sähkökattiloiden sähkön kulutus GWh - 180-450 Maakaasu- ja sähkökattiloiden päästöt ktco2/a Suomessa ktco2/a Euroopassa 60 20 150 60 60 130 150 330 Mallinnus on tehty yhden esimerkkivuoden perusteella ja yhdelle esimerkkiverkolle, joten lopputulokset ovat suuntaa antavia. Tulosten perusteella voidaan kuitenkin todeta, että sähköveron laskeminen tai poistaminen todennäköisesti mahdollistaa runsaasti maakaasua tai muita fossiilisia polttoaineita käyttäville kaukolämpöyhtiöille kannattavan investoinnin sähkökattilaan. Koko Suomen tasolla tämä johtaisi noin 0.5 TWh kasvuun sähkön kulutuksessa ja noin 0.1 /MWh nousuun sähkön hinnassa 2020-luvulla. Kaukolämpöverkoissa nämä investoinnit mahdollistaisivat noin 0.5 /MWh laskun kaukolämmön hinnassa. Koska lisääntyvä sähkön kulutus todennäköisesti katettaisiin lisääntyvällä tuonnilla, paikalliset päästöt Suomessa laskisivat, mutta koko Euroopan tasolla nousisivat. Tällöin on oletettu, että tätä tuontia vastaava sähkö tuotettaisiin sekä maakaasu- että kivihiililauhdetuotannolla. Jos sähkön kulutuksen kasvu olisi merkittävää (useita terawattitunteja), olisi sillä jo vaikutusta investointeihin. Koska uudet investoinnit kohdistuvat Euroopassa lähinnä tuuli- ja aurinkovoimaan, voitaisiin tällöin ajatella, että Euroopan tasolla päästöt eivät lisääntyisi lainkaan. Esimerkkitapauksessa on tarkasteltu sähkökattilaa, mutta veron lasku tekisi myös lämpöpumpuista kannattavampia kaukolämmöntuotannossa. Suuren kokoluokan kaukolämpöverkkoon lämpöä syöttävissä lämpöpumpuissa haasteeksi tulee pumpattavan hukkalämmön saatavuus sekä mahdollisesti myös tuotettavan lämmön lämpötilataso. 42 (60)
5.2.3 Case-esimerkki 2 kiinteistökohtaiset lämpöpumput osana kaukolämpöyhtiön tuotantoportfoliota Eri energiajärjestelmien integraatiota voidaan parantaa myös hyödyntämällä kiinteistökohtaisia lämmitysmuotoja kaukolämmön rinnalla siten, että kiinteistökohtainen tuotanto optimoidaan kaukolämpöjärjestelmä huomioiden. Erityisesti tällä voi olla merkitystä kiinteistökohtaisten lämpöpumppujen osalta, sillä niiden yleistyessä voi myös kaukolämpöasiakkailla olla jatkossa lämpöpumppuihin perustuvaa lämmitystä kaukolämmön rinnalla. Tällä hetkellä tällaiset hybridilämmittäjät eivät vielä ole kovin yleisiä, mutta mikäli niiden määrä kasvaa, voi myös optimoinnin merkitys kasvaa. Jotta lämpöpumppujen optimaalisen käytön merkittävyyttä voitaisiin arvioida laajemmin, on seuraavassa esimerkissä simuloitu lämmitysjärjestelmää, jossa edellisen kappaleen esimerkin suuren kaupungin kaukolämpöverkon (Kuva 5-6) asiakkailla olisi maalämpöpumppuja siinä määrin, että niillä voitaisiin tuottaa aina 5 % lämmön kokonaiskysyntää vastaava määrä lämpöä. Lämpöpumput eivät syötä lämpöä kaukolämpöverkkoon, vaan optimointitilanteessa toimivat ikään kuin kaukolämmön kysyntäjoustokohteina. Näissä maalämpökiinteistöissä kaukolämpöä voitaisiin käyttää silloin kun kaukolämmön muuttuvat kustannukset ovat maalämmön muuttuvia kustannuksia pienemmät, mikä johtaisi säästöihin verrattuna tilanteeseen, jossa kaukolämpöyhteyttä ei ole. Kaukolämpöä voitaisiin käyttää myös maalämmön mitoitustehon (esimerkissä 60 % maksimitehosta) ylittävän lämmöntarpeen tuottamiseen. Kaukolämmön tuotannon näkökulmasta kaukolämmön korvaaminen maalämmöllä laskee kustannuksia erityisesti silloin kun kaasukattiloita (ja CCGT-CHP:tä sähkön ollessa halpaa) voidaan ajaa vähemmän. Kiinteistöjen maalämmön tuotantoa voidaankin käsitellä kaukolämpöjärjestelmän kannalta yhtenä tuotantomuotona, jonka käyttö voidaan optimoida osana muuta lämmöntuotantoa. Seuraavissa kuvissa on esitetty tällaisen kiinteistökohtaista maalämpöä hyödyntävän kaukolämpöjärjestelmän tuotanto tammikuussa ja kesäkuussa, ja maalämpö yhtenä tuotantomuotona. Laskennassa on huomioitu myös kaukolämpöakun vaikutus. Kuva 5-9 Tuotanto sekä muuttuvat kustannukset tammikuussa isossa kaukolämpöverkossa, jossa kiinteistökohtaista maalämpöä optimoitaisiin osana kaukolämmön tuotantoa 2 000 MWh/h 1 800 1 600 1 400 1 200 1 000 800 600 400 50 /MWh 38 /MWh 32 /MWh 24 /MWh 20 /MWh 200 0 Tammikuu Kivihiili-CHP Kiinteistökohtaiset lämpöpumput Kaasukattila Kysyntä Suuret lämpöpumput CCGT-CHP Akku 43 (60)
Kuva 5-10 Tuotanto kesäkuussa isossa kaukolämpöverkossa, jossa kiinteistökohtaista maalämpöä optimoitaisiin osana kaukolämmön tuotantoa 2 000 MWh/h 1 800 1 600 1 400 1 200 1 000 800 600 400 200 0 Kesäkuu Suuret lämpöpumput Kiinteistökohtaiset lämpöpumput Kaasukattila Kysyntä Kivihiili-CHP CCGT-CHP Akku Kuten ensimmäisestä kuvasta (Kuva 5-9) nähdään, sijoittuu kiinteistökohtainen maalämpö tuotantojärjestyksessä kolmanneksi kivihiili-chp:n ja suurten lämpöpumppujen jälkeen, eikä maalämmöllä kannata kustannusnäkökulmasta tuottaa lämpöä tammikuussakaan koko ajan esimerkkijärjestelmässä. Ero suurten ja kiinteistökohtaisten lämpöpumppujen kesken johtuu lähinnä siitä, että suuret lämpöpumput on oletettu liitettäväksi 110 kv:n jännitetasoon, jolloin sähkön siirtohinta on noin 20 /MWh pienempi kuin alempaan jännitetasoon kytketyillä maalämpöpumpuilla. Myös myyjän marginaali sähkön energiahinnassa oletetaan maalämmöllä olevan hieman suurempi. Lämpöpumppujen tehokertoimissa ei oleteta olevan suuria eroja johtuen siitä, että vaikka lämmönlähde suuremmissa pumpuissa on korkeammassa lämpötilatasossa, on myös suurten lämpöpumppujen tuotantolämpötila korkeampi (tuottavat kaukolämpöverkkoon) kuin kiinteistökohtaisissa lämpöpumpuissa. Esimerkin tapauksessa kiinteistökohtaista maalämpöä käytettäisiin noin 26 päivänä tammikuussa. Kesäkuun loppupuoliskolla (Kuva 5-10) alhaisemman kustannuksen suuret lämpöpumput kattavat lähes kokonaan verkon lämmöntarpeen. Kuun ensimmäisellä puoliskolla myös kiinteistökohtainen maalämpö osallistuu tuotantoon. Suurin tuotantoteho on kuitenkin huomattavasti pienempi kuin tammikuussa johtuen siitä, että maalämpökiinteistöjen oma kulutus on alhaisempi kuin lämpöpumppujen kapasiteetti, eikä maalämpöpumpuilla voida esimerkissä tuottaa lämpöä verkkoon päin. Mallinnuksen perusteella suuressa kaukolämpöverkossa, jossa käytetään maakaasua melko runsaasti polttoaineena, muuttuvat kustannukset laskevat noin 2 %, jos esimerkin mukainen kiinteistökohtainen maalämpö otetaan mukaan yhtenä tuotantomuotona (kts. Taulukko 5-4). Pienessä verkossa kustannusvaikutus on selvästi pienempi, koska kaukolämmön tuotannossa käytetään pääasiassa edullisempia polttoaineita. Edellisessä simuloinnissa on oletettu, että koko lämmöntuotantokoneistoa, sisältäen kiinteistökohtaisen tuotannon, voidaan ajaa kokonaisuuden kannalta optimaalisella tavalla eli mahdollisimman alhaisin kustannuksin. Tämä voidaan toteuttaa esimerkiksi siten, että myös kiinteistökohtainen maalämpö on kaukolämpöyhtiön ohjauksessa. Koko vuoden kattavan simuloinnin perusteella maalämmön huipunkäyttöajaksi tulee esimerkin mukaisessa isossa kaukolämpöverkossa noin 2500 tuntia vuodessa, mikä on kohtuullisen paljon. Mielenkiintoiseksi kysymykseksi muodostuukin nyt, kannattaisiko esimerkiksi kaukolämpöyhtiön investoida tällaisiin lämpöpumppuihin? Investointikustannuksien suhdetta saavutettuun säästöön arvioitiin simuloimalla laskennassa käytetyn kaukolämpöverkon tuotanto ilman näitä maalämpö- 44 (60)
pumppuja ja niiden kanssa. Seuraavassa taulukossa on esitetty tuloksia tästä simuloinnista erikseen isolle ja pienelle kaukolämpöverkkoesimerkille. Taulukossa on esitetty tarvittavat investoinnit maalämpöpumppuihin, sekä kaukolämpövaihtimiin, mikäli ne tarvittaisiin (uusi tai uusittava kaukolämpöliittymä). Jos maalämpökohde olisi kaukolämmön nykyinen asiakas ilman tarvetta laitteiston uusinnalle, jäisi tämä kustannus pois. Taulukko 5-4 Kaukolämpöyhtiön operoiman maalämmön vaikutus kaukolämpöverkon muuttuviin kustannuksiin ja maalämpöinvestoinnin kannattavuus Ison kaupungin KL-verkko Pienen kaupungin KL-verkko Ei maalämpöä Maalämpö, 5 % kysynnästä Ei maalämpöä Maalämpö, 5 % kysynnästä Maalämmön huipunkäyttöaika MWh/MW - 2500-450 Lämmön muuttuva tuotantokustannus vuodessa M /a 116.2 114.3 7.0 6.9 Lämmön muuttuva tuotantokustannus /MWh 23.1 22.8 14.0 13.9 Investointi KL-vaihtimiin M - 7.8-0.8 Investointi maalämpöpumppuihin M - 74-7.4 NPV1 (kustannussäästö ja maalämpöinvestointi) * M -51-6.7 NPV2 (kustannussäästö ja investointi KL-vaihtimiin) * M 15 ~0 * Korkokanta 5 %, laskenta-aika 20 vuotta Suuressa maakaasua melko runsaasti polttoaineenaan käyttävässä kaukolämpöverkossa muuttuvat kustannukset laskevat noin 2 %, jos kiinteistökohtainen maalämpö otetaan mukaan yhtenä tuotantomuotona. Tämä ei ole riittävästi, jotta maalämpöön kannattaisi kuitenkaan investoida (NPV1 edellä esitetyssä taulukossa on negatiivinen). Sen sijaan, jos maalämpöön on jo investoitu esimerkiksi kaukolämpökiinteistön toimesta, kannattaisi järjestelmän kokonaiskustannusten näkökulmasta yhteys kaukolämpöverkkoon säilyttää, vaikka se vaatisi uuden kaukolämmönsiirtimen hankintaa (NPV2 edellisessä taulukossa on positiivinen). Pienemmässä biopolttoaineisiin perustuvassa kaukolämpöverkossa maalämmön huipunkäyttöaika jää hyvin pieneksi (450 h/a) eikä maalämmön käyttö tällä tavalla ole järkevää. Edellisessä laskelmassa tarkasteltiin tuotantoa koko järjestelmän tuotantokustannusten näkökulmasta. Jotta jo maalämpöön investoineen kiinteistön kannattaisi ryhtyä yhteistyöhän kaukolämpöyhtiön kanssa, tulisi kustannusten laskea myös kiinteistön näkökulmasta verrattuna siihen tilanteeseen, ettei yhteyttä kaukolämpöverkkoon ole ja lämmöntuotanto perustuu pelkästään maalämpöön ja huippukysynnän aikaan myös sähkövastukseen. Seuraavassa taulukossa on esitetty tunnuslukuja tällaisesta vertailusta ison kaukolämpöverkon tapauksessa yhdelle kerrostalolle, jonka vuotuinen lämmönkulutus on 600 MWh. 45 (60)
Taulukko 5-5 Tuotanto ja muuttuvat kustannukset isossa kaukolämpöverkossa sijaitsevassa kerrostalossa, jossa lämpöä tuotetaan maalämpöpumpulla Ei yhteyttä KLverkkoon Yhteys KLverkkoon Tuotanto lämpöpumpulla MWh/a 552 315 * Tuotanto sähkövastuksella MWh/a 48 0 Kaukolämmön käyttö MWh/a 0 285 * Lämmön muuttuva tuotantokustannus (alv 0 %), /MWh 34.7 22.8 ** * Jos tuotanto optimoidaan koko järjestelmän (kaukolämpö + maalämpö) muuttuvien kustannusten mukaan ** Vastaa koko lämmöntuotantojärjestelmän muuttuvia kustannuksia, ilman kaukolämpöverkon ja tuotannon kiinteitä kustannuksia (kts.taulukko 5-4) Jos maalämpöön investoineessa kerrostalossa yhteys kaukolämpöverkkoon säilytettäisiin ja maalämpöpumppuja ohjattaisiin koko lämmöntuotantojärjestelmän (kaukolämpö + kiinteistökohtainen maalämpö) muuttuvien kustannusten mukaan, laskisi osuus maalämmön kerrostalolle tuottamasta vuosienergiasta 92 prosentista noin 53 prosenttiin. Keskimääräiset muuttuvat tuotantokustannukset laskisivat samalla noin 12 /MWh, kun kaukolämmön osalta huomioidaan vain tuotannon muuttuvat kustannukset. Esimerkin tapauksessa kaukolämpöä käytettäisiin maalämpökerrostalossa lähinnä syksyllä ja keväällä, kun kaukolämmön marginaalinen tuotantomuoto on halvan polttoaineen CHPtuotanto ja talven kylmimpään aikaan, kun kaukolämmöllä korvataan sähkövastuksen tuottamaa lämpöä. Edellisessä analyysissä ei ole kuitenkaan huomioitu kaukolämpöyhtiöiden kiinteitä kuluja ja katteita. Kannattavuuslaskelmat näyttävät erilaisilta, jos maalämpöpumppu jää kerrostalon omistukseen ja kaukolämpöyhtiö myy sille kaukolämpöä kuten muillekin asiakkaille. Tällöin myyntihinnan pitäisi muuttuvien tuotantokustannusten lisäksi kattaa muitakin kuluja. Jotta koko järjestelmän optimaalinen toiminta (kustannukset ja verkon dynamiikka) voitaisiin varmistaa eikä asiakkaalle koituisi liikaa vaivaa, voisi kaukolämpöyhtiö kuitenkin olla vastuussa kiinteistökohtaisen tuotannon operoimisesta. Koko energiajärjestelmän resurssien käytön kannalta tällainen hybridilämmitys toimisi suotuisasti. Kun sähkö on kallista, lämmitysmuotona voisi olla enemmän CHP-tuotantoa ja halvan sähkön aikaan voidaan hyödyntää enemmän lämpöpumppuja. Vaikka kustannusten valossa investointi kiinteistökohtaiseen maalämpöön kaukolämpöyhtiön toimesta ei vaikutakaan kannattavalta, voi tilanne olla erilainen siinä tapauksessa, kun on tehtävä investointeja uuteen tuotantokapasiteettiin. Myös esimerkiksi tilanteessa, jossa kaukolämpöverkossa on pullonkauloja, jotka pakottavat ajamaan kaasu- tai öljykattiloita, voi edellä kuvattu lämpöpumppuinvestointi tuotantokustannusmielessä olla kiinnostava vaihtoehto. 5.2.4 Kaukolämpö-CHP:n osallistuminen säätösähkö- ja taajuusreservimarkkinoille Lisääntyvä vaihtuva tuotanto (lähinnä tuulivoima) kasvattaa tuotannon ennustevirhettä sähkömarkkinalla ja näin lisää tarvetta sähkön tunninsisäiselle säädölle. Kaukolämpö-CHP-laitokset voivat tukea sähköverkkoa osallistumalla tätä tarkoitusta varten luoduille säätösähkö- ja taajuusreservimarkkinoille eri markkinapaikoilla. Fingridin markkinapaikat tunninsisäiseen säätöön on esitetty seuraavassa taulukossa (). 46 (60)
Taulukko 5-6 Säätösähkö- ja reservimarkkinat joille kaukolämpöjärjestelmä voi osallistua Reservi/markkina Tehtävä Kuvaus FCR-N Jatkuvaan taajuudenhallintaan tarkoitettu reservi. Pyrkii pitämään taajuuden välillä 49,9 50,1 Hz Hankitaan vuosimarkkinoiden ja tuntimarkkinoiden kautta Suomesta sekä naapurimaista Minitarjouskoko 0.1 MW, reagointiaika 3 min Fingrid ylläpitää tällä hetkellä 140 MW reserviä kaikilla käyttötunneilla FCR-D Jatkuvaan taajuudenhallintaan tarkoitettu reservi. Pyrkii pitämään taajuuden vähintään 49,5 Hz Hankitaan vuosimarkkinoiden ja tuntimarkkinoiden kautta Suomesta sekä naapurimaista Minimitarjouskoko 1 MW, reagointiaika 5-30 sekuntia Fingrid ylläpitää tällä hetkellä 220 265 MW reserviä kaikilla käyttötunneilla Reservi on tarkoitettu ylössäätöön, eli esimerkiksi tilanteisiin jossa teho äkillisesti laskee voimalaitoksen tai siirtoyhteyden vikaantuessa Säätösähkö Varmistetaan jatkuva tunninsisäinen tehotasapaino, eli tuotannon ja kysynnän tasapaino Pohjoismaiset kantaverkkoyhtiöt ylläpitävät yhdessä säätösähkömarkkinoita Minimitarjouskoko 5-10 MW, reagointiaika 15 min Markkinoiden koko suurempi kuin reservimarkkinoiden Säätösähkön tarve tulee todennäköisesti kasvamaan lisääntyvän tuulivoimatuotannon myötä afrr Lähde: Fingrid Automaattisesti aktivoitua reservilaji jota hankitaan vain tietyillä aamu- ja iltatunneilla Tällä hetkellä ylläpidetään tiettyinä potentiaalisesti haasteellisina tunteina, jolloin varmistetaan taajuudenhallintareservin riittävyys Minimitarjouskoko 5 MW, reagointiaika 2 min Reagointiaikansa puolesta luonnollisin markkinapaikka CHP-tuotannon säädöstä saataville lisätuloille on säätösähkömarkkina. CHP-laitoksilla on tyypillisesti useita komponentteja, joita voidaan hyödyntää säätösähkömarkkinoilla. Ylössäätöä voidaan tehdä turbiinin lauhdeperän ja apujäähdytyksen avulla. Alassäätöä voidaan tehdä turbiinin ohituksen eli reduktion avulla. Lämpöakkua voidaan käyttää sekä ylös- että alassäädössä. Ylössäädössä lämpöä tuotetaan varastoon silloin, kun sähkön tuotantoa halutaan kasvattaa. Vastaavasti alassäädössä tuotantoa pienennetään ja akkuun varastoitua lämpöä puretaan, kun sähkön tuotantoa halutaan vähentää. Tapa, jolla CHP-laitos osallistuu säätösähkömarkkinalle, vaihtelee vuodenajoittain. Talvella CHPlaitoksen voidaan olettaa käyvän maksimiteholla korkean lämmön kysynnän vuoksi. Tällöin alassäätö voidaan toteuttaa reduktiolla tai laitos voi olla reduktioajossa ylössäätöä varten. Keväällä ja syksyllä CHP-laitos käy osakuormalla, jolloin ylössäätö voidaan toteuttaa apujäähdytyksellä tai lauhdeperällä. Alassäätö voidaan toteuttaa reduktiolla, ja lisääntynyt lämpö voidaan ohjata apujäähdyttimeen. Kesällä CHP-laitoksen revision aikaan ylössäätö voidaan toteuttaa varavoimalaitoksella tai vähentämällä sähkön käyttöä pienentämällä sähköä energianlähteinään käyttävien yksiköiden tuotantoa (esimerkiksi lämpöpumput ja sähkökattilat). Vastaavasti alassäätö voidaan tehdä lisäämällä sähkön käyttöä näissä sähköä käyttävissä tuotantolaitteissa. 5.3 Monipuolinen palveluntarjonta Loppukäyttäjillä on keskeinen rooli uusien teknologioiden ja liiketoimintamallien yleistymisessä ja sitä kautta energiajärjestelmän kehittymisessä. Kuluttajat omaksuvat ja hyödyntävät uutta teknologiaa ja tekevät valintoja markkinoilla, mikä ohjaa yritysten tuote- ja palvelukehitystä ja johtaa parempiin ja tehokkaampiin tuotteisiin ja palveluihin. Toisaalta loppukäyttäjien valintoja voidaan ohjata tuote- ja palveluportfolion muutoksilla ja vaihtoehtoja lisäämällä, ja asiakkaille tarjottavat uudet vaihtoehdot voivatkin toimia markkinoiden kehityksen ajureina. 47 (60)
Siirtymistä kohti energiatehokkaampaa ja ympäristöystävällisempää energiajärjestelmää voidaan edesauttaa asiakkaiden roolia vahvistamalla ja sitä kautta suuria kuluttajamassoja aktivoimalla. Digitalisaation ja automaation ansiosta aktivointi voidaan toteuttaa asiakkaalle vaivattomasti ja jopa huomaamattomasti. Asiakkaat voivat osallistua järjestelmän tasapainottamiseen ja tehostamiseen esimerkiksi erilaisten kysyntäjoustojen avulla. Kuluttajien aktivointiin, energiatehokkuuden parantamiseen ja päästövähennystavoitteiden saavuttamiseen voidaan luonnollisesti vaikuttaa myös kansallisella tai EU-tason ohjauksella, kuten verotuksella, rakennusmääräyksillä tai päästöoikeuksien hinnalla. Asiakkaiden odotukset myös kehittyvät. Ilmastonmuutoksen torjunta ja energiantuotannon ympäristövaikutuksien vähentäminen, sekä kasvavat vaihtoehdot muilla energiantuotannon ja käytön osaalueilla (aurinkopaneelit, tuulivoima, sähköautot, biopolttoaineet) saavat asiakkaat odottamaan samaa valinnanvaraa myös lämmön suhteen. Asiakkaat myös odottavat saavansa palvelunsa digitaalisessa muodossa, kuten portaalina josta he voivat seurata omaan energian kulutusta ja kustannuksia tai automaattisena kysyntäjoustopalveluna. Kaukolämpöyhtiöiden asiakaskenttä muuttuu moninaisemmaksi (Kuva 5-11). Asiakkaat odottavat, että heidän erilaiset tarpeensa tulevat huomioiduksi yksilöllisemmällä tasolla. Tavanomaisten asiakkaiden lisäksi asiakkaina voi olla matalaenergiataloja, joiden kulutusprofiili ja lämmitystarve ovat hyvin erilaisia verrattuna muihin asiakkaisiin. Lämpöpumput yleistynevät edelleen, mutta kaukolämpö voidaan haluta vararatkaisuksi tai huippukysynnän kattamiseksi. Voi myös syntyä uudenlaisia energiayhteisöjä, jotka tuottavat paikallisesti lämpöä esimerkiksi matalalämpöverkkoon. Kuva 5-11 Kaukolämpöyhtiöiden muuttuva asiakaskenttä Kaukolämmössä loppuasiakkaan, eli esimerkiksi kaukolämpötalon asukkaan, rooli ja vaikutusmahdollisuudet ovat perinteisesti olleet vähäisiä. Loppuasiakkaat ovat passiivisia lämmön käyttäjiä, jotka asioivat ongelmatilanteissa isännöitsijän, huoltoyhtiön tai kiinteistöpalveluyrityksen kanssa. Energian myyjän ja loppuasiakkaan välinen vuorovaikutus jää usein vähäiseksi. (Deloitte & Touche, 2016) Kaukolämmön myyjän ja asiakkaan välisen vuorovaikutuksen rakentumista on havainnollistettu seuraavalla kuvalla (Kuva 5-12). 48 (60)
Kuva 5-12 Kaukolämmön myyjän ja asiakkaan välinen vuorovaikutussuhde Lähde: (Deloitte & Touche, 2016) (mukaillen) Jotta voidaan ymmärtää millaisella tiedolla on asiakkaita aktivoiva vaikutus, tulee ensin tietää millaisia tarpeita asiakkailla on ja mistä asioista asiakkaat ovat kiinnostuneita. Tarpeet ja kiinnostuksen kohteet vaihtelevat asiakassegmenteittäin kuten yllä on havainnollistettu. Yleistetysti voidaan kuitenkin sanoa, että asiakkaat haluavat helppokäyttöistä ja toimitusvarmaa energiaa. 5.3.1 Asiakaskeskeisten palveluiden tarve Kuluttajien aktivoitumiseksi markkinoiden on pystyttävä tuottamaan erilaisia lämmönkäyttöön liittyviä tuotteita ja palveluita, joista asiakkaat voivat valita mieleisensä. Lämmitysratkaisujen tapauksessa käyttäjä voi tehdä valintoja lämmitysjärjestelmän hankintavaiheessa sekä järjestelmän käyttövaiheessa. Kaukolämpösektorille tämä tarkoittaa kolmea asiaa: Palvelujen ja tuotteiden tarkempaa räätälöintiä asiakkaiden ja asiakassegmenttien tarpeiden mukaan Liiketoiminnan muuttumista entistä enemmän tuotemyynnistä palveluliiketoiminnaksi, Dialogin lisääminen asiakkaiden kanssa ja aktiivisemman roolin ottamista kaupunkiyhteisössä Yksittäisen asiakkaan tarpeet muuttuvat tilanteen ja ajankohdan mukaan riippuen mm. siitä, onko asiakas hankkimassa tai korvaamassa lämmitysjärjestelmää vai käyttämässä sitä. Lämmitysjärjestelmän hankintavaiheessa asiakkaat tarvitsevat vertailtavaa ja helposti omaksuttavaa tietoa eri lämmitysratkaisujen taloudellisista ja ekologisista vaikutuksista. Taloudellisia vaikutuksia ja investoinnin kannattavuutta arvioitaessa pyritään tarkastelemaan järjestelmän koko elinkaarikustannuksista alkuinvestoinnista käyttökustannuksiin. Asiakkaiden aktivoituminen edellyttää, että he tietävät eri vaihtoehdoista ja kokevat aidosti ymmärtävänsä eri vaihtoehtojen väliset erot ja vaikutukset. Lämpöenergian ohessa asiakkaalle tarjotaan jo nykyäänkin tietoa hänen energiankulutuksestaan. Kulutustietojen saaminen on ensiaskel sille, että asiakas voi alkaa kiinnittää huomiota omaan energiankäyttöönsä. Pelkkä raakadata kulutuksesta ei kuitenkaan sellaisenaan ole asiakkaan näkökulmasta kiinnostavaa. Kiinnostavampaa on tieto raakadatasta muodostettavista johtopäätöksistä ja konkreettisista toimenpidesuosituksista helposti ymmärrettävässä muodossa. Tällaisia voivat olla esimerkiksi tieto huoneiston lämpötilan laskemisen vaikutuksista energiakustannuksiin, suositus mahdollisista remonteista ja kunnostustöistä rakennuksen energiatehokkuuden parantamiseksi tai tieto aurinkolämpöjärjestelmän hankkimisen taloudellisista vaikutuksista. Energian myyjät, isännöitsijät, huoltoyhtiöt sekä kiinteistöpalveluyritykset voivat tarjota tällaisia tietoja asiakkaille ja toimia asiakkaan kumppanina esimerkiksi investointipäätöksiä tehtäessä. Kaukolämpöyhtiöt voivat hyödyntää jatkuvasti keräämäänsä kulutusdataa tehokkaasti energiansäästö- ja neuvontapalveluihin. Yhdistämällä kulutusdata talokohtaisen datan kanssa (koko, raken- 49 (60)